高精細経頭蓋直流刺激を用いた3Dデジタイザーを用いた刺激位置決定

Summary

ここでは、高精細経頭蓋直流刺激と3Dデジタイザを組み合わせた刺激位置の決定において、より高い精度を達成するためのプロトコルである。

Abstract

神経イメージングデータの豊富さと機械学習の急速な発達により、脳の活性化パターンを調べすることが可能になりました。しかしながら、行動につながる脳領域活性化の因果証拠はしばしば行方不明のままである。脳皮質興奮性および活性を一時的に変化させることができる経頭蓋直流刺激(tDCS)は、人間の脳における因果関係を研究するために用いられる非侵襲的な神経生理学的ツールである。高精細経頭蓋直流刺激(HD-tDCS)は、従来のtDCSに比べてより焦点電流を生み出す非侵襲的な脳刺激(NIBS)技術です。従来、刺激位置は10-20脳波システムを介してほぼ決定されてきたが、正確な刺激点を決定することは困難な場合がある。このプロトコルは、HD-tDCSを備えた3Dデジタイザを使用して、刺激点の決定精度を高めます。この方法は、右側顎頭頂接合部(rTPJ)における刺激点のより正確な局在化のために、3Dデジタイザを使用して実証されています。

Introduction

経頭蓋直流刺激(tDCS)は、頭皮上の弱い直流で皮質興奮を調節する非侵襲的な技術である。健康なヒト^1、2、3における神経興奮性と行動との因果関係を確立することを目的としている。また、運動神経リハビリテーションツールとして、tDCSはパーキンソン病、脳卒中、脳性麻痺⁴の治療に広く用いられている。既存の証拠は、従来のパッドベースのtDCSが比較的大きな脳領域^5、6、7を通して電流を生成することを示唆している。高精細経頭直流刺激(HD-tDCS)は、中心環電極が4つの戻り電極^8、9で囲まれた標的皮質領域上に位置するとともに、4つの環領域^5、10を周回させることにより焦点性を高める。さらに、HD-tDCSによって誘導される脳の興奮性の変化は、従来のtDCS^7、11によって生成されるものよりも有意に大きな大きさおよび長い持続時間を有する。したがって、HD-tDCSは研究^7、11で広く使用されている。

非侵襲的脳刺激(NIBS)は、刺激部位が標準MNIおよびタレアッハシステム¹²に存在することを保証するための特別な方法を必要とする。ニューロナビゲーションは、経頭蓋刺激と人間の脳との間の相互作用をマッピングすることを可能にする技術です。その視覚化および3D画像データは精密な刺激のために使用される。tDCSおよびHD-tDCSの両方において、頭皮上の刺激部位の一般的な評価は、典型的には脳波10-20システム^13、14である。この測定は、初期段階13、14、15における機能的近赤外分光法(fNIRS)用のtDCSパッドおよび光線ホルダを配置するために広く使用されている。

10-20系を使用する際の正確な刺激点の決定は困難な場合がある(例えば、テンポロ頭頂接合部[TPJ])。これを解決する最善の方法は、磁気共鳴画像法(MRI)を用いて参加者から構造画像を取得し、その後、デジタル化製品¹⁵を用いて目標点を構造画像に一致させることによって正確なプローブ位置を得る。MRIは良好な空間分解能を提供しますが^{、15、16、17}を使用するには高価です。さらに、一部の参加者(例えば、金属インプラントを持つもの、閉所恐怖症の人々、妊婦など)はMRIスキャナを受けることができません。そのため、上記の制限を克服し、刺激点を決定する精度を高めるための便利で効率的な方法が強く求められます。

このプロトコルは、これらの制限を克服するために3Dデジタイザを使用します。MRI と比較すると、3D デジタイザの主な利点は、低コスト、シンプルなアプリケーション、および移植性です。これは、個人の5つの基準点(すなわち、Cz、Fpz、Oz、左前序語点、および右前序球点)と標的刺激点の位置情報を組み合わせたものです。そして、被験者の頭部に電極の3D位置を作り出し、構造画像^12、15からの膨大なデータに適合させることにより皮質位置を推定する。この確率的登録方法により、被験者の磁気共鳴画像を記録することなく、MNI座標系で経頭蓋マッピングデータを提示することができます。このアプローチは、解剖学的自動ラベルとブロッドマン領域¹¹を生成します。

3Dデジタイザは、構造画像からのデータに基づいて空間座標をマークするために使用され、fNIRS研究¹⁸におけるオプトードの位置を決定するために最初に使用された。HD-tDCSを使用する人のために、3Dデジタイザーは脳波10-20システムの有限刺激点を壊す。4つのリターン電極と中心電極の距離は柔軟性があり、必要に応じて調整することができます。このプロトコルで3Dデジタイザを使用すると、10-20システムを超えるrTPJの座標が得られました。また、人間の脳の右側頭頂接合部(rTPJ)を標的化し、刺激するための手順も示されている。

Protocol

プロトコルは、サウスウエスト大学の機関審査委員会のガイドラインを満たしています.

1. 刺激位置の決定

1. 文献を確認し、刺激位置を確認する(ここでは、rTPJ)19、20、21。

2. 電極保持キャップの準備

メモ:図 1に次の手順を示します。

1. 必要なすべての材料(3Dデジタイザ)、標準測定テープ、マーキングペン、ヘッドフォーム、スイミングキャップなど、必要なすべての材料が容易に使用できることを確認します。
2. ヘッドフォームにキャップを置き、キャップ上のポイントをマークします。
   1. 頂点(Cz)をローカライズします。これを行うには、まずスキンマーカー^13、14、22を使用して、ナシオンとイニオンの間の距離の中点^をマークします。次に、口蓋前点間の距離を測定し、中点をマークします。両方の点が交差する点は Cz です。
   2. 中心電極とリターン電極の位置を確認します。ここで、刺激をrTPJに適用した。rTPJは、10-10脳波システム^19、20、21のCP6とP6の中間点に大きく対応する。
   3. CP6 および P6^22、23^、24、25を検索します。10-10システムの比例要件に従って、頭皮上のrTPJのおおよその位置を見つけ、キャップにマークを付けます。
   4. 目標11、14、26に基づいて4つのリターン電極の半径を調整する。この決定の後、中心電極とリターン電極の位置をキャップにマークします。

3. 3Dデジタイザー測定

1. 金属スキャナーを使用してスキャンし、3D デジタイザの環境が金属フリーであることを確認します。
2. 被験者の頭部にキャップを配置する
   1. キャップ上の参照(Cz、Fpz、オズ、左の予備ポイント、および右の前序語ポイント)が、頭皮の位置²²のための国際10-10システムと一致していることを確認してください。たとえば、頭皮上の頂点(Cz)をローカライズし、キャップを被験者の頭の上に置き、キャップの Cz を被写体に位置合わせします。
3. 3D デジタイザ機器の配置
   1. ユニバーサル シリアル バス (USB) インターフェイスを使用して 3D デジタイザをコンピュータに接続し、デジタイザ ソフトウェアが使用可能で準備ができていることを確認^します。
   2. ソースを被写体の前に置き、センサーの弾性ロープを頭の周りに固定します。重要なのは、3D デジタイザの測定中にソースもセンサーも動かないようにしてください。
      メモ:ソースは電磁双極子場を放射する磁気送信機です。センサーは、フィールドを検出する受信機です。
   3. コンピュータでデジタイザ ソフトウェアを開き、3D デジタイザ システムがソフトウェアと通信することを確認します。
   4. スタイラスの精度をテストします。定規の長さ10cmを見つけ、スタイラスを使用して、それぞれゼロの卒業と10の卒業を記録します。
      メモ:3Dデジタイザの2つの記録点間の測定距離をキャプチャする必要があります。エラーを 3D トラッカーからの読み取りと比較します。
   5. [新規]アイコンを選択し、新しい情報カテゴリ ファイルを作成します。[セッション] ボックスを選択し、[参照] をクリックします。
      メモ:3Dデジタイザースタイラスを使用して、被験者の基準位置データ(Cz、イニオン、ナシオン、左耳、右耳)は、ソフトウェアプロンプトに従って収集されます。
   6. fNIRS 実験の要件に応じるには、送信機、検出器、およびチャネルオプションを使用します。誤差を減らすために、送信機、検出器、およびチャネル用のセンター電極と4つのリターン電極3xの位置データを収集します。5 つの電極に番号が付けられ、順番にローカライズされていることを確認します。
   7. 生成された 3 つのファイルを保存します。

4. データ変換と空間登録

1. NiRS-SPM に 3 つのファイルを選択して、MNI 空間²⁸への実際の座標登録を実現します。アフィンは、参加者の基準点と5つの電極点を、MNI空間のMRIデータベースに従って各エントリ内の対応するポイントに変換します。
2. 解剖学的自動ラベルとブロッドマンエリアにデータを登録し、これら両方に5つの電極点の空間情報を登録します。
3. 得られた座標^20、29と以前の研究における刺激の座標を比較する。
4. プラスチックケースがキャップにぴったりと埋め込まれるように、キャップにマークされた5つのポイントに合わせて小さなカットを作ります。

5. 刺激

1. 参加者がHD-tDCS^1、3の禁忌(すなわち、神経学的または精神障害の歴史)を持っていないこと、および研究の前に書面によるインフォームド・コンセント(HD-tDCS刺激を含む)を提供したことを確認します。
2. デバイスをインストールする場合は、必要な資料がすべて使用可能であることを確認します (図 3)。公開された文献¹⁴に詳しく記載されているようにデバイスをインストールします。簡単な説明を以下に示します。
   1. 電池を取り付け、充電されていることを確認します。
   2. 従来のtDCSおよび4x1刺激アダプタを接続します。
   3. 5つのAg/AgCI焼結リング電極のケーブルを、4x1アダプタ出力ケーブルの対応する受信機に接続します。
   4. すべてのマテリアルが正しく接続されていることを確認します。
3. 参加者の頭を測定し、頭の上にキャップを置きます。
   1. スイミングキャップに5つのプラスチックHDケーシングを埋め込みます。
   2. 被験者13、14のCz、Fpz、およびオズをローカライズする。頭皮の場所²²のための国際10-10システムに合わせてキャップの参照を調整します。キャップの位置が設定されたら、キャップが動かないことを確認します。
   3. 3Dデジタイザを使用して、刺激された脳領域の位置データを収集します。生成されたデータに従って、対応する調整を行います。
4. 電気伝導性ゲルで頭皮表面を覆います。まず、頭皮が露出するまで、プラスチック製の注射器の端部を使用して、プラスチックケースの開口部を通して慎重に髪を分離します。次いで、露出した頭皮を、頭皮表面のプラスチックケース開口部を通して電気伝導性ゲルで覆う。
5. tDCS デバイスのパラメータ(品質値、刺激持続時間、強度、条件設定)を設定します。
   1. 4x1マルチチャンネル刺激アダプタの電源を入れます。
   2. デフォルト設定がSCANであることを確認し、電極^14、30、31をスキャンして、一度に1つの電極のインピーダンスを表示ウィンドウに表示します。ここで、インピーダンスを「品質値」と記載する。1.5 未満の値は、十分な品質^14、30、31を示します。この場合、値は 1 より小さかった。
      メモ:インピーダンス値がこれらの必要な限界を超える場合は、高インピーダンスでプラスチックケースのキャップを開き、ヘアと電極を調整して目的のインピーダンス値を得ます。
   3. インピーダンスの値が受け入れられると、"MODE SELECT"ボタンを押し、"SCAN"から"PASS"に切り替えます。
   4. 「POLARITY」ボタンを押して、センターアノードまたはセンターカソードを選択します。"セントラル アノード" が既定の設定です。
   5. 従来のtDCSデバイスの設定を調整して、刺激持続時間(分)、強度(mA)、シャム状態設定を含めます。この場合、アノダル活性刺激は1.5mAであり、刺激は20分続いた。次に、"RELAX"レバーを押してフル電流に切り替えます。
   6. すべてが設定されたら、刺激を開始します。[START]ボタンを押すと、目標電流に達するまで DC の強度が上がります。タイマーは残りの時間を表示します。
      メモ:一部の参加者は、DC強度の増加期間中に不快感を感じることがあります。このような場合、「RELAX」レバーを引き下げて数秒間、電流がわずかに減少する可能性があります。次に、参加者が再び快適に感じたときに、徐々に、完全な電流にドリーバーをプッシュします。

6. 後刺激

1. 刺激が終わったら、レバーをゆっくり回して電流をゼロに調整してから電源を切ります。そうしないと、参加者は直接電源を切るときに刺すような感覚やめまいを感じるかもしれません。
2. 刺激後、プラスチックキャップを開き、Ag/AgCI焼結リング電極をケーシングから取り外します。
3. スイミングキャップを取り外し、材料をきれいにします。参加者に髪をきれいにするツールを提供します。
4. 各刺激セッションの後にアンケートに記入するよう参加者に依頼し、必要に応じて(例えば、HD-tDCSに続くスクリーニングの悪影響を測定するため、脳刺激に対する参加者の許容度等を測定する;補足ファイルを参照)。

Results

提示された方法を用いて、rTPJの座標を決定し、10〜20系を超える刺激点を必要とする。まず、ヘッドフォームの円周は実際の頭部と同様である必要があります。ここで、ヘッドフォームのイニオンまでのナシオの長さは〜36cmであり、両側前置詞間の長さは〜37cmであった。

電極キャップを製造するステップは、10-20システムの測定位置を導きます。ここで、Nz、イズ、Cz、Fpz、オズ、Pz、T8、T7、C4、P8、O2、P4、C6、P6、CP6が決定された。頭皮にRTPJのおおよその位置(CP6とP6の中間点程度)が見つかった。中央電極と周辺電極間の距離は、実験目的に基づいて調整する必要があります。これまでの研究では、3.5 ~7.5 cm^11,14,30の範囲の半径値を取得しました。半径値が異なると、DC強度と刺激持続時間が異なる電界強度を生成する場合があります。このプロトコルでは、全ての戻り電極と中央...

Discussion

従来のtDCSと比較して、HD-tDCSは刺激の焦点を増加させます。刺激の典型的な部位は、多くの場合、10-20脳波システムに基づいています。しかし、このシステムを超える正確な刺激点を決定することは困難な場合があります。本論文では、3DデジタイザとHD-tDCSを組み合わせて、10~20システムを超える刺激点を決定します。このような場合には、電極キャップを作り、使用するための手順と予防措置を明確に定義することが重要です。

一般に、標的刺激領域の位置は、以前の脳イメージング研究の結果に由来し、10-20国際システムまたはMNI座標上の刺激領域の位置を得ることができる。10-20システムの位置を測定するための電極キャップガイドを作成する手順は重要です。キャップの基準は、頭にキャップを置くとき、頭皮の位置のための国際的な10-20システムと一致することが重要です。3Dデジタイザが実行を開始すると、ソースとセンサーが移動しないか、データ偏差が発生します。

ソフトウェアでは、頭皮とキャップのすべての基準点が一致していない限り、基準点はキ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
1X1 低強度経頭蓋 DC 刺激装置	Soterix Medical	1300A
3 次元 Polhemus-Patriot デジタイザー	POLHEMUS	1A0453-001	PATRIOT システムコンポーネント
4X1 マルチチャネル刺激インターフェース	Soterix Medical	4X1-C3
Dell デスクトップコンピュータ	Dell	CRFC4J2	3D デジタイザーアプリケーションを実行するマスターコンピュータ