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
December 20th, 2019
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。
この方法は、経頭蓋直流刺激電極配置の限界を克服するために10-10系を用い、方法の精度と再現性を向上させる。この技術の主な利点は、低コスト、シンプルなアプリケーションと移植性です。この方法は、他の技術、例えば、機能的近赤外分光法、関心のある特定の脳領域の位置を検証する用法に適している。
この手法は、10-10 システムの比例要件に精通している場合に非常に簡単です。この手順のデモンストレーションは、大学院生の陳友Lvです。電極保持キャップを用意するには、ヘッドフォームにスイミングキャップを置き、鼻とイニオンの間の距離を測定します。
頂点を局所化するには、スキン マーカーを使用して、鼻とイニオンの間の距離の中点をマークし、前のポイント間の距離を測定します。前節点の中点をマークします。両方の中間点が交差する点が頂点です。
10-10システムによると、CP6とP6を見つけ、頭皮の右のテンポラプリエタール接合部と呼ばれるこれらの点が交差する適切な中間点をマークします。その後、目的に基づいて、4つのリターン電極の半径を調整します。そして、キャップの中央と戻り電極の位置をマークします。
3D デジタイザの測定を行う場合は、金属スキャナを使用して、3D デジタル化の環境が金属フリーであることを確認します。被験者の頭の上にスイムキャップを置き、キャップの基準マークを使用してキャップを頭皮の位置のための国際的な10-10システムに合わせます。キャップが設置されたら、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たか確認します。
被写体の前にソースを置き、被験者の頭の周りにセンサーの弾性ロープを留める。デジタイザソフトウェアでは、3Dデジタイザシステムがソフトウェアと通信していることを確認し、スタイラスと10センチメートルの定規の長さを使用して、ゼロと10の卒業を記録してスタイラスの精度を確認します。ソフトウェアでは、2つの記録ポイント間の距離を表示します。
次に、基準点、中心電極、および4つの戻り電極の位置データを収集する。機能近赤外分光法実験の要件に対応するには、送信機検出器とチャネルオプションを選択して保存します。刺激を開始するには、完全に充電された電池をデバイスに取り付け、従来の経頭蓋直流刺激装置と4つの刺激アダプターを1つずつ接続します。
5つの銀銀塩化物中心リング電極のケーブルを、1つのアダプタ出力ケーブルで4つの受信機に接続します。そして、被験者の頭を測定します。プラスチック製のデバイスキャップを被写体の頭の上に置き、5つのプラスチック製の高精細ケーシングを水泳キャップに埋め込みます。
被写体の頂点FPZとOZを見つけ、頭皮の位置のための国際的な10-10システムと一致するようにキャップの参照を調整します。キャップが設置されている場合は、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。次に、プラスチック製のシリンジの端部を使用して、頭皮が露出するまで、プラスチックケーシングの開口部を通して髪を慎重に分離し、露出した皮膚を導電性ゲルで覆います。
デバイスで、1 つのマルチチャネル刺激アダプターで 4 つの電源をオンにし、品質値を設定します。スキャンするデフォルト設定が設定されていることを確認し、モード選択ボタンを押します。スキャンから通過するように切り替え、極性ボタンを押して、中心アノードまたはカソードのいずれかを選択します。
従来の経頭蓋直流刺激装置の設定を調整して、刺激持続時間、強度、および偽の状態設定を含め、リラックスレバーを押して完全電流に切り替えます。すべてが設定されたら、開始ボタンを押して刺激を開始します。D.C.intensity はターゲット電流に達するまで上昇し、タイマーは残り時間を表示します。
刺激の最後にレバーをゆっくりと回して電流をゼロに調整してから電源を切ります。プラスチックキャップを開き、銀または銀塩化物焼結リング電極をケーシングから取り外し、水泳キャップを取り外します。その後、器具をきれいにし、彼らの髪をきれいにするための材料を被写体に提供します。
近赤外分光法統計パラメトリックマッピングスタンドアロン登録機能を用いて、空間登録関数はMNI座標を生成する。測定誤差を低減するため、5つの電極の最終的なMNI座標からの3つのデータ点の平均値を算出した。ブロードマン地域では、解剖学的ラベルとその数が得られます。
各行の後の数字は、オーバーラップの割合を示します。解剖自動ラベルでは、解剖学的ラベルとオーバーラップの割合が得られます。ブロードマン領域および解剖学的自動ラベルの場合、この値は大脳皮質との重複の割合を表します。
3D デジタイザ測定中にソースもセンサーも動かないようにすることが重要です。この手順は、思考のローカリゼーションのまたは脳の機能を研究するために必要な他のローカリゼーションのために使用することができます。この技術はまた精密な位置決めのための個別の脳刺激で使用することができる。
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
概要
この記事では、3D ディジタイザーと高精度経頭蓋直流刺激（tDCS）を組み合わせたプロトコルを提示し、刺激位置決定の精度を向上させます。この方法は 10-10 電極配置システムを統合し、再現性と機能的近赤外線分光法などの他の技術との併用に適しています。
主要な研究構成要素
科学の領域
- 神経科学
- 神経シミュレーション
- 電気生理学
背景
- 経頭蓋直流刺激（tDCS）は、しばしば電極配置の正確さに制限されます。
- 高精度 tDCS は脳刺激技術の空間的ターゲティングを改善できます。
- 3D デジタル化により、標準化されたシステムに基づいた電極の正確な局在化が可能になります。
- この方法は機能的画像技術との統合を通じて補完的なデータを提供できます。
研究の目的
- tDCS における電極配置の精度と再現性を向上させること。
- 脳刺激局在化のための費用対効果の高い、ポータブルなソリューションを提供すること。
- 研究および治療目的のための正確な脳刺激を促進すること。
使用された方法
- 研究では、3D ディジタイザーシステムを tDCS と組み合わせて刺激位置を正確に決定します。
- 特定の脳領域を特定するために 10-10 電極配置システムを使用します。
- 電極キャップの準備、解剖学的ランドマークの局在化、位置データの記録などのステップが含まれます。
- 電極配置の正確さを確認した後、設定された tDCS デバイスを使用して刺激を開始します。
主な結果
- このプロトコルにより、刺激位置の正確な識別が可能となり、介入の精度が向上します。
- 3D デジタル化の利用により、電極配置に関連する測定誤差が最小限に抑えられます。
- 結果は脳刺激応用のための空間分解能の向上を示しています。
- この方法は、脳皮質領域との系統的な重複測定を通じて検証されています。
結論
- この研究は、電極配置の精度を向上させることで tDCS の有効性を改善する新しいアプローチを示しています。
- 3D デジタル化技術との統合は、パーソナライズされた脳刺激戦略に貢献します。
- 全体として、この方法は研究における神経メカニズムの理解と操作に重要な意味を持っています。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Accurate targeting of brain regions is critical for establishing causal links between neural activity and behavior in neuroscience research. This protocol enhances the precision of high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) by integrating 3D digitization with the 10-10 electrode placement system, improving reproducibility and reducing variability in stimulation targeting. The approach supports mechanistic de-risking in target validation by enabling more reliable interrogation of cortical excitability and its behavioral consequences.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables precise interrogation of specific cortical targets such as the right temporo-parietal junction to test causal roles in cognitive functions.
- Operational Value: Improves reproducibility of stimulation targeting across experiments, reducing noise in behavioral readouts.
- Predictive Value: Increases confidence that observed behavioral changes are due to intended neuromodulation rather than off-target effects.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides a standardized, quantifiable method for electrode placement that can be integrated with functional readouts like fNIRS.
- Operational Value: Supports assay standardization by minimizing variability in stimulation location across users and sessions.
- Scalability: The low-cost, portable setup allows for deployment across multiple lab sites or testing environments.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Enables consistent targeting of human-relevant cortical regions, supporting cross-species extrapolation of neuromodulation effects.
- Mechanistic De-risking: Reduces ambiguity in target engagement, strengthening the causal inference chain from stimulation to behavioral outcome.
- Predictive Confidence: Enhances reliability of preclinical models used to screen neuromodulatory interventions.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery biology workflow by improving the precision of neuromodulation tools used to validate targets and pathways before lead identification.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by enabling accurate, repeatable stimulation of defined cortical areas to assess causal contributions to behavior.
- Assay Readiness: Generates quantifiable spatial data (e.g., MNI coordinates, Brodmann area overlap) that can be correlated with functional imaging or behavioral outputs.
- Analytics: Produces standardized electrode position metrics that allow comparison across conditions, subjects, or experimental batches.
- Translational Research: Facilitates alignment with imaging biomarkers by enabling precise co-registration of stimulation sites with functional data.
- Enterprise Reuse: Represents a reusable platform capability for any study requiring precise, repeatable neuromodulation targeting.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases target validation confidence by improving spatial precision and reducing off-target stimulation effects.
- Operational Value: Enhances reproducibility and standardization of neuromodulation procedures across users and sites.
- Strategic Value: Supports better go/no-go decisions in target validation by reducing biological noise from inaccurate stimulation.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of targets based on more reliable causal evidence from neuromodulation studies.
Implementation Considerations
- Requires familiarity with the 10-10 electrode placement system and anatomical landmark identification.
- Dependent on access to a 3D digitizer system and compatible software for spatial data capture.
- Necessitates a metal-free environment to ensure accurate digitizer measurements.
- Requires training to properly align the electrode cap with reference points and maintain sensor stability during recording.
- Limited to external scalp targets; cannot directly stimulate deep brain structures without computational modeling.
