Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Neuronagenavigeerde gefocaliseerde transcraniële gelijkstroomstimulatie toegediend tijdens functionele magnetische resonantiebeeldvorming

2.6K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/67155

⸱

15 november 2024

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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 dit artikel

Samenvatting

Dit protocol beschrijft de methode van neuronagenavigeerde elektrodeplaatsing voor focale, transcraniële gelijkstroomstimulatie (tDCS) toegediend tijdens functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI).

Samenvatting

Transcraniële gelijkstroomstimulatie (tDCS) is een niet-invasieve hersenstimulatietechniek die de prikkelbaarheid en plasticiteit van het menselijk brein kan moduleren. Gefocaliseerde tDCS-opstellingen gebruiken specifieke elektrodeopstellingen om de stroomtoevoer naar afgebakende hersengebieden te beperken. De effectiviteit van gefocaliseerde tDCS kan echter in het gedrang komen door fouten in de plaatsing van de elektroden op de hoofdhuid, wat resulteert in significante verlagingen van de huidige dosis die de doelhersengebieden voor tDCS bereikt. Plaatsing van de elektrode geleid door neuronavigatie op basis van de anatomie van het hoofd en de hersenen van het individu, afgeleid van structurele magnetische resonantie beeldvorming (MRI)-gegevens, kan geschikt zijn om de positioneringsnauwkeurigheid te verbeteren.

Dit protocol beschrijft de methode van neuronavilente elektrodeplaatsing voor een gefocaliseerde tDCS-opstelling, die geschikt is voor gelijktijdige toediening tijdens functionele MRI (fMRI). We kwantificeren ook de nauwkeurigheid van de plaatsing van de elektroden en onderzoeken elektrodedrift in een gelijktijdig tDCS-fMRI-experiment. Kritieke stappen omvatten de optimalisatie van elektrodeposities op basis van de huidige modellering die rekening houdt met de anatomie van het hoofd en de hersenen van het individu, de implementatie van neurogenavigeerde elektrodeplaatsing op de hoofdhuid en de toediening van geoptimaliseerde en focale tDCS tijdens fMRI.

De regionale precisie van de plaatsing van de elektrode wordt gekwantificeerd met behulp van de Euclidische norm (L2-norm) om afwijkingen van de werkelijke van de beoogde elektrodeposities te bepalen tijdens een gelijktijdig tDCS-fMRI-onderzoek. Elke mogelijke verplaatsing van elektroden (drift) tijdens het experiment wordt onderzocht door de werkelijke elektrodeposities voor en na de fMRI-acquisitie te vergelijken. Bovendien vergelijken we de plaatsingsnauwkeurigheid van neuronagenavigeerde tDCS rechtstreeks met die van een op de hoofdhuid gebaseerde targetingbenadering (een 10-20 elektro-encefalografie (EEG)-systeem). Deze analyses tonen een superieure plaatsingsnauwkeurigheid voor neuronavigatie in vergelijking met plaatsing van elektroden op basis van de hoofdhuid en verwaarloosbare elektrodedrift gedurende een scanperiode van 20 minuten.

Inleiding

Transcraniële gelijkstroomstimulatie (tDCS) is een niet-invasieve hersenstimulatietechniek die het mogelijk maakt om cognitie en fysiologische hersenfuncties in experimentele en klinische contexten te wijzigen 1,2,3. Acute toediening van tDCS kan voorbijgaande veranderingen in neuronale prikkelbaarheid hebben, waarbij de nawerkingen aanhouden van minuten tot uren na de stimulatie 4,5. De aangelegde stroom induceert geen actiepotentialen, maar verschuift eerder tijdelijk het rustmembraanpotentiaal van het neuron in de richting van de- of hyperpolarisatie, wat resulteert in verhoogde of verminderde neuronale prikkelbaarheid op macroscopisch niveau met behulp van standaardprotocollen 4,5,6. Bovendien hebben studies bij dieren en mensen met betrekking tot de synaptische plasticiteitseffecten van tDCS aangetoond dat tDCS langdurige potentiëring en depressie (LTP en LTD)-achtige processen induceert 4,5.

In het motorische systeem maakt de modulatie van motorische evoked potentials (MEP's) een directe beoordeling mogelijk van de neurofysiologische effecten van tDCS op de lokale corticale prikkelbaarheid7. Deze benadering kan echter niet de neurale effecten van tDCS kwantificeren op cognitieve functies van hogere orde die worden ondersteund door grootschalige functionele hersennetwerken8. De effecten op hersennetwerken kunnen worden onderzocht door tDCS te combineren met moderne functionele beeldvormingstechnieken 9,10. Daarvan is functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) de meest gebruikte benadering geworden, omdat het een uitstekende ruimtelijke en voldoende temporele resolutie biedt om de neurale mechanismen te onthullen waarmee tDCS de lokale hersenactiviteit op de stimulatieplaats en grootschalige neurale netwerken beïnvloedt 11,12,13,14.

Tot nu toe hebben gecombineerde fMRI-tDCS-onderzoeken voornamelijk gebruik gemaakt van zogenaamde conventionele tDCS-opstellingen, waarbij relatief grote rubberen elektroden tussen 25 en 35cm2 (5 x 5cm2 en 5 x 7cm2) worden ingebracht in met zoutoplossing doordrenkte sponszakken15,16. Deze opstellingen projecteren de stroom tussen twee elektroden die doorgaans zijn bevestigd over (a) een doelhersengebied voor tDCS en (b) een retourelektrode over niet-doelhersengebieden of extracraniële gebieden (bijv. de schouder). Dit resulteert in een wijdverbreide stroomstroom door de hersenen, die andere regio's dan het doelgebied beïnvloedt, waardoor causale aannames en interpretaties over de neurale oorsprong van tDCS-effecten worden bemoeilijkt17.

Nauwkeurigere ruimtelijke targeting kan worden bereikt door gefocaliseerde tDCS18. Deze opstellingen maken gebruik van reeksen kleinere elektroden die dicht bij elkaar zijn gerangschikt of door gebruik te maken van een ringvormige kathode die rond een middenanode is geplaatst om de stroomtoevoer naar het doelgebied te beperken18,19. Computersimulaties van elektrische stroom suggereren dat gefocaliseerde tDCS kan resulteren in een hogere ruimtelijke precisie van de stroom naar het doelgebied dan conventionele montages20. Bovendien hebben gedragsstudies regionale en taakspecifieke gedragsmodulatie aangetoond met behulp van gefocaliseerde opstellingen 19,21,22. Slechts enkele onderzoeken hebben echter gefocaliseerde tDCS gebruikt tijdens fMRI. Deze studies hebben de haalbaarheid van deze aanpak kunnen vaststellen en hebben het eerste bewijs geleverd voor regiospecifieke neurale modulatie19,23.

Vanwege de regionaal nauwkeurige stroomafgifte kunnen gefocaliseerde tDCS-opstellingen echter gevoeliger zijn voor fouten in de plaatsing van de elektroden op de hoofdhuid dan conventionele montages. Seo et al. toonden bijvoorbeeld aan dat positioneringsfouten van 5 mm in een gefocaliseerde motorische cortexopstelling de somatische piekpolarisatie in de handknop met maximaal 87%24 verminderden. Bovendien toonde een recente computationele modelleringsstudie aan dat elektrodeverplaatsing van beoogde posities voor focale trillingen in vergelijking met conventionele opstellingen resulteerde in significante stroomdosisverlagingen in de doelregio's voor tDCS, variërend van 26% tot 43%25. Daarom werd geconcludeerd dat toekomstige studies routinematig geschikte methoden zouden moeten bevatten voor de verbetering van de elektrodepositionering en de verificatie van de elektrodepositionering voor en na fMRI5.

In de huidige studie beschrijven we de methode van neuronagenavigeerde elektrodepositionering voor een nieuwe fMRI-compatibele focale 3 x 1 tDCS-opstelling (d.w.z. drie individuele kathodes die in een cirkel rond een enkele middenanode zijn gerangschikt), die momenteel wordt gebruikt in een gezamenlijk onderzoeksconsortium dat wordt gefinancierd door de Duitse Wetenschappelijke Stichting (DFG Research Unit 5429, https://www.memoslap.de). Het consortium onderzoekt gedrags- en neurale effecten van gefocaliseerde tDCS op leren en geheugen en voorspellers van stimulatierespons in vier functionele domeinen (d.w.z. visueel-ruimtelijke, taal-, motorische en executieve functies). Structurele T1- en T2-gewogen MRI-gegevens van studiedeelnemers worden verkregen tijdens een baselinescan. Deze gegevens worden gebruikt voor geïndividualiseerde stroomsimulaties26 om de hoofdhuidposities van elektroden te bepalen die de stroomtoevoer naar het doelgebied bij individuele studiedeelnemers maximaliseren. Dit protocol beschrijft bijvoorbeeld neuronagenavigeerde targeting van individueel bepaalde elektrodeposities gecentreerd boven de rechter dorsolaterale prefrontale cortex (rDLPFC) bij één deelnemer.

De sectie representatieve resultaten is gebaseerd op structurele beeldvormingsgegevens die voor en na gelijktijdige tDCS-fMRI zijn verkregen in drie deelprojecten van de onderzoekseenheid. Deze studies waren gericht op de rechter occipitotemporale cortex (rOTC), de linker temporo-pariëtale cortex (lTPC) en rDLPFC. Gegevens werden verzameld op de afdeling Neurologie van de Universitaire Geneeskunde Greifswald. Met behulp van deze gegevens wilden we twee hoofddoelstellingen bereiken: (1) het kwantificeren van de ruimtelijke precisie van de plaatsing van neurogenavigeerde elektroden door "bedoelde" versus empirisch bepaalde "werkelijke" elektrodeposities25 te vergelijken, en (2) het onderzoeken van de mate van elektrodeverplaatsing in de loop van de fMRI-sessies (d.w.z. elektrodedrift). Deze factoren zijn cruciaal voor het verbeteren van de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van tDCS-effecten in gelijktijdige tDCS-fMRI-onderzoeken27. Bovendien wordt de targetingnauwkeurigheid van neuronavilente tDCS vergeleken met die van een op de hoofdhuid gebaseerde benadering met behulp van gegevens uit een eerdere tDCS-fMRI-studie van onze groep25.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Alle experimentele procedures die in dit protocol worden gepresenteerd, zijn beoordeeld en goedgekeurd door de ethische commissie van de Universitaire Geneeskunde Greifswald. Alle deelnemers gaven geïnformeerde toestemming voorafgaand aan opname in de studie en gaven toestemming om hun gegevens anoniem te publiceren.

1. Screening van contra-indicaties en algemene overwegingen

  1. Voorafgaand aan de inschrijving voor de studie moeten de deelnemers zorgvuldig worden gescreend op MRI28 en tDCS29 contra-indicaties (bijv. pacemakers, claustrofobie, voorgeschiedenis van epileptische aanvallen, migraine, huidziekte op de hoofdhuid [bijv. psoriasis/eczeem]) met behulp van de juiste vragenlijsten.
  2. Leg de studiedoelen en alle geplande procedures uit aan de deelnemers en verkrijg schriftelijke geïnformeerde toestemming volgens de lokale vereisten.
  3. Volg algemene procedures voor het verbeteren van de rapportage en reproduceerbaarheid van gelijktijdige tDCS-fMRI-experimenten en test op mogelijke beeldvormingsartefacten die worden veroorzaakt door de huidige en/of tDCS-apparatuur, zoals aanbevolen in de ContES-checklist30.
  4. Gebruik de juiste methoden om de blindering van deelnemer en onderzoeker31,32 en mogelijke nadelige effecten van tDCS29 te beoordelen.

2. Baseline MRI-scan en geïndividualiseerde huidige modellering

  1. Na het voltooien van veiligheidscontroles (d.w.z. het verwijderen van metalen voorwerpen van de deelnemer, zoals munten, kettingen, piercings, enz.), leidt u de deelnemer naar de scannerruimte en plaatst u hem/haar comfortabel op de MRI-onderzoekstafel. Bevestig het bovenste deel van de hoofdspoel en verplaats de deelnemer in de boring van de MRI-scanner volgens de specificaties van de fabrikant.
    OPMERKING: We gebruikten een 3T-scanner die was uitgerust met een 64-kanaals kop/nek-shim-spoel.
  2. Registreer de nieuwe deelnemer met behulp van de scannerinterface door te klikken op Hoofdmenu | Onderzoek | Patiëntenregistratie en vul de verplichte velden in. Ga naar Programmakeuze en verzamel en selecteer het geplande beeldvormingsprotocol. Klik op Patiëntoriëntatie en selecteer het hoofd eerst, optie in rugligging. Kies in het vervolgkeuzemenu Onderzoeksregio en lateraliteit de optie hersenen en klik vervolgens op Onderzoek om naar het onderzoeksmenu te gaan.
  3. Volg de instructies op het scherm van het vooraf gedefinieerde scanprotocol (zoals het aanpassen van het gezichtsveld, enz.) om T1- en T2-gewogen MRI-sequenties te verkrijgen. Communiceer indien nodig met de deelnemer via het interne communicatiesysteem van de scanner.
    OPMERKING: T1- en T2-gewogen afbeeldingen zijn vereist voor geïndividualiseerde huidige modellering. Het T1-gewogen beeld is ook nodig voor neuronavigatie om de geplande en geoptimaliseerde posities van elektroden op de hoofdhuid van de deelnemers te identificeren.
  4. Gebruik het script in https://github.com/memoslap/Greifswald en de structurele beeldvormingsgegevens die tijdens de baseline MRI-scan zijn verkregen om geïndividualiseerde stroommodellering uit te voeren (bijv. met behulp van SimNIBS26). Volg de stappen in het Readme.md-bestand om de eindige-elementenmethode en geïndividualiseerde tetraëdrische hoofdmazen toe te passen die zijn gegenereerd op basis van de structurele T1- en T2-gewogen afbeeldingen van de deelnemer (http://simnibs.org)26,33,34 CHARM-tool 35 voor hoofdreconstructie om het elektrische piekveld te bepalen om geoptimaliseerde doelposities te bepalen voor plaatsing van tDCS-elektroden over de rDLPFC. Zie Figuur 1 voor een voorbeeld van de uitkomst van de procedure die voor dit protocol is gebruikt.
    OPMERKING: Alternatieve methoden voor het identificeren van hoofdhuidcoördinaten voor neuronaviërtargeting zijn mogelijk en zijn afhankelijk van studiespecifieke procedures.

3. Neuronavigatie

  1. Voorbereidende stappen
    1. Schakel de Neuronavigation-besturingscomputer en het volgsysteem in.
    2. Montagestappen: Monteer alle benodigde apparatuur voor neuronavigatie (Figuur 2; voor een overzicht van de neuronavigatie-instellingen, zie Aanvullende Figuur S1). De apparatuur in figuur 2 bestaat uit (1) een onderwerptracker, (2) schroevendraaier, (3) zeshoekige staaf, (4) bril en (5) aanwijzer. Volg de onderstaande instructies om de montage te voltooien.
      1. Draai de schroef onder de onderwerptracker los met de schroevendraaier.
      2. Steek de lange zijde van de zeskantige staaf in de moer die op de onderwerptracker is gemonteerd en draai de schroef vast.
      3. Draai de schroef aan de linkerkant van de bril los (met de bril zo geplaatst alsof hij er doorheen kijkt).
      4. Steek de andere kant van de zeskantige staaf in de moer die aan de linkerkant van de bril is gemonteerd en draai de schroef van de bril vast.
        OPMERKING: Je hebt de mogelijkheid om de onderwerptracker aan de linker- of rechterkant van de bril te installeren. Deze keuze hangt af van het doelgebied ten opzichte van de positie van de camera van het neuronavigatiesysteem (dat de aanwijzer en de onderwerptracker moet herkennen) ten opzichte van de positie van de deelnemer. In dit voorbeeld is de tracker aan de linkerkant bevestigd, zodat de persoon die de tracking uitvoert niet tussen de tracker en de camera staat.
    3. Draag de structurele T1-gewogen (bijv. als een Neuroimaging Informatics Technology Initiative (NIfTI)-bestand) van de respectieve deelnemer over, verkregen in stap 2.3. naar de besturingscomputer van het neuronavigatiesysteem.
    4. Open de neuronavigatiesoftware en kies Nieuw leeg project.
    5. Laad de T1-gewogen afbeelding van de deelnemer en sla het project op door project opslaan te selecteren.
    6. Als u de reconstructie van de 3D-kop wilt starten, gaat u naar de sectie Reconstructies in het hoofdvenster van de toepassing. Klik op Nieuw... | Skin, die een ander venster opent. Reconstrueer de huid door op de betreffende knop te drukken. Pas de huid-/luchtdrempel aan als er vervormingen worden waargenomen bij de reconstructie van het hoofd.
      OPMERKING: Het wordt aangeraden om te controleren of het hele hoofd correct is gereconstrueerd. Een goede reconstructie van de neus en oren is belangrijk om de oriëntatiepunten te detecteren die in de volgende stap worden beschreven.
    7. Configureer vijf oriëntatiepunten: nasion, linker- en rechterneusgaten en linker- en rechterpreauriculaire putten (LPA en RPA). Deze zijn nodig om de deelnemer te registreren in het gedeelte Oriëntatiepunten van het hoofdvenster van de applicatie (voor details, zie aanvullende figuur S2).
    8. Configureer de elektrodepositie voor de rDLPFC in de sectie Doelen door de x-, y- en z-coördinaten van de anodepositie in te voegen (geleverd door de geïndividualiseerde stroomsimulaties beschreven in stap 2.4), klik op Nieuwe toevoegen en typ Anode als de naam van de elektrodepositie. Herhaal de procedure voor de drie retourelektroden.
  2. Neurogenavigeerde identificatie van elektrodeposities
    1. Plaats de deelnemer comfortabel in een stoel met het gezicht naar de volgcamera. Vraag hem/haar om de bril op te zetten met de onderwerptracker eraan.
    2. Instrueer de deelnemers om de bril niet aan te raken tijdens de gehele neuronavigatieprocedure. Dit is cruciaal voor een nauwkeurige registratie van de herkenningspunten en validatie van de elektrodeposities.
    3. Ga naar het tabblad Sessies en kies in de linkerhoek de optie Onlinesessie in het vervolgkeuzemenu Nieuw . Selecteer het tabblad Polaris en controleer de zichtbaarheid van de onderwerptracker en de aanwijzer door ze naar het gezichtsveld van de camera te verplaatsen. Beide apparaten worden correct herkend wanneer de bijbehorende rode kruisjes veranderen in de groene vinkjes in het deelvenster Extra (linkerkant van het toepassingsvenster).
    4. Selecteer de sectie Registratie om de vijf vooraf gedefinieerde oriëntatiepunten te registreren. Zoek het betreffende oriëntatiepunt door de aanwijzer loodrecht op het hoofd van de deelnemer te plaatsen met de sensoren naar de camera gericht. Druk vervolgens op het voetpedaal van het neuronavigatiesysteem om de positie te bevestigen. Zorg ervoor dat er een groen vinkje wordt gezien voor de naam van elk oriëntatiepunt.
    5. Navigeer naar het validatiegedeelte en valideer de oriëntatiepunten door de punt van de aanwijzer op de geregistreerde oriëntatiepunten te plaatsen en controleer de twee afstandsindexen; De eerste index toont de afstand tussen het dradenkruis (virtuele aanwijzerpunt) en het geregistreerde oriëntatiepunt, de tweede index toont de afstand tussen het dradenkruis en de gereconstrueerde huid.
      OPMERKING: Bij gebruik van de standaardparameters van het neuronavigatiesysteem geven indices onder de 5 mm voldoende precisie aan om de validatiestap te doorstaan. Dit is acceptabel voor veel experimentele contexten. Vanwege de geoptimaliseerde focale instelling die in dit protocol wordt gebruikt, wordt de validatie van elektroden echter alleen geaccepteerd als de afwijking van de beoogde coördinaten minder dan 1 mm is (zie afbeelding 3).
    6. Beweeg de aanwijzer over de hoofdhuid van de deelnemer en controleer het dradenkruis van de gereconstrueerde hoofdhuid op de neuronavigatiemonitor. Als het dradenkruis uitgelijnd blijft met de gereconstrueerde hoofdhuid zonder deze binnen te dringen of er een opening boven te creëren, is het acceptabel, hoewel niet aanbevolen, om de volgende stap over te slaan.
    7. Proef extra punten rond locaties met extreme punten, waaronder de meest linkse, meest rechtse, bovenste en voorste locaties. Klik hiervoor op de knop Toevoegen in het deelvenster met verfijningsoriëntatiepunten voor elke positie. Plaats vervolgens de aanwijzer op het doeloppervlak van het hoofd, zorg ervoor dat de punt van de aanwijzer zachtjes de hoofdhuid raakt en druk op het pedaal om de positie te registreren. Herhaal dit proces totdat de afstand tussen het dradenkruis en de gereconstrueerde huid zo klein mogelijk is.
      OPMERKING: Verschillende neuronavigatiesystemen kunnen verschillende terminologie gebruiken om naar dit proces te verwijzen (bijv. oppervlakteregistratie).
    8. Selecteer de sectie Uitvoeren en verplaats de aanwijzer naar de geschatte locatie van de DLPFC om de positie van de middelste anode te vinden (op basis van de coördinaten in afbeelding 1D). Terwijl u de aanwijzer verplaatst, observeert u tegelijkertijd het scherm. Markeer de posities van de elektroden wanneer de punt van de aanwijzer is uitgelijnd met het midden van het groene dradenkruis op het scherm.
    9. Beweeg het haar van de deelnemer weg van het overeenkomstige gebied op de hoofdhuid en markeer de posities met een huidmarker/pen
      10. . Herhaal het proces voor de posities van de drie kathoden (zie figuur 1D).
    10. Breng een kleine hoeveelheid actuele verdovende crème aan op de beoogde posities van de elektroden om de fysieke sensaties op de hoofdhuid tijdens tDCS-fMRI te verminderen.
      OPMERKING: Zorg ervoor dat er ten minste 20 minuten verstrijkt tussen het aanbrengen van de crème en het starten van de tDCS.

4. tDCS-fMRI

  1. Voorbereiding op gelijktijdige tDCS-fMRI
    1. Bereid een brandpuntsafstand van 3 x 1 tDCS voor met een meerkanaals gelijkstroomstimulator (DC).
    2. Gebruik de meerkanaals DC-stimulator36 in de normale modus (zonder batterij). Steek de stekker van de stimulator in dezelfde stekkerdoos als de scanner voor een betere signaal-ruisverhouding en vermindering van beeldvormingsartefacten (zie ook opmerkingen in de specificaties van de fabrikant).
    3. Zorg ervoor dat alle benodigde stimulatiegerelateerde materialen beschikbaar en schoon zijn (Figuur 4). Zorg er vooral voor dat de rubberen elektroden en 3D-sjablonen geen pasta bevatten van eerdere experimentele sessies.
      OPMERKING: De opstelling die in dit project wordt gebruikt, maakt gebruik van op maat gemaakte elektroden en filterboxen die zijn ontwikkeld in samenwerking met de fabrikant van de DC-stimulator om te voldoen aan de specifieke vereisten van de onderzoekseenheid (zie afbeelding 4A). Er kunnen echter ook standaard MRI-compatibele componenten worden gebruikt.
      1. Gebruik een 3D-geprinte (thermoplastische) vulhulp voor elektrodepasta om de toepassing van geleidende elektrodepasta te standaardiseren voordat de elektroden op de hoofdhuid worden bevestigd (Figuur 4A (9),B).
      2. Gebruik een 3D-geprinte (thermoplastische) afstandhouder om de elektroden op de hoofdhuid te plaatsen en zorg ervoor dat de afstanden tussen de anode en de kathoden worden aangehouden tijdens de fMRI-tDCS-sessies (Figuur 4A (10),C).
        OPMERKING: De aangepaste 3D-sjablonen zijn toegankelijk via de volgende link: https://github.com/memoslap/Material
    4. Om de DC-stimulator in te stellen, sluit u de DC-stimulator aan op de buitendoos (met behulp van de kabel en adapter van de buitendoos). Sluit de kabel van de binnendoos aan op de binnen- en buitendoos (zie afbeelding 4).
    5. Breng 1 mm geleidende pasta gelijkmatig aan op het oppervlak van alle elektroden van de focal-tDCS 3x1 opstelling. Gebruik de vulhulp van de elektrode om de dikte van de pasta te standaardiseren. Bedek alleen het oppervlak van de elektrode met de pasta en verwijder eventuele extra pasta.
    6. Zet de DC-stimulator en de Panel PC aan (in de aangegeven volgorde). Dubbelklik op het MC-pictogram van de DC-stimulator op het bureaublad. Selecteer de gewenste stimulatiesequentie in het vervolgkeuzemenu voor het instellen van de geselecteerde sequentie . Klik op de knop stimulator kalibreren om de stimulator te kalibreren zonder elektrische belasting (d.w.z. de deelnemer is niet verbonden met de stimulator).
      LET OP: Als de deelnemer tijdens het kalibreren is aangesloten op de stimulator, kan de elektrische stroom pijnlijke gewaarwordingen veroorzaken.
    7. Plaats de deelnemer comfortabel in de buurt van de DC-stimulator buiten de MRI-scannerruimte.
    8. Bepaal het breedste deel van het hoofd van de deelnemer, van het voorhoofd (net boven de wenkbrauwen) tot het achterhoofdsbeen aan de achterkant van het hoofd, om de optimale grootte van de EEG-dop te kiezen om de elektroden op hun plaats te houden tijdens de tDCS-fMRI-sessie.
    9. Plaats de elektroden in het afstandsstuk om te zorgen voor een gelijke afstand van de kathoden rond de middelste anode en bevestig de elektroden over de geïdentificeerde en gemarkeerde hoofdhuidposities.
    10. Gebruik de optimale maat EEG-dop zonder plastic inzetstukken om de elektroden op hun plaats te houden tijdens tDCS-fMRI.
      NOTITIE: Zorg ervoor dat elektroden niet verschuiven terwijl de dop op zijn plaats zit.
    11. Sluit de kabels van de elektrodekabels aan op de binnendoos van de DC-stimulator om een impedantiecontrole uit te voeren. Selecteer de gewenste stimulatiesequentie in het vervolgkeuzemenu voor het instellen van de geselecteerde sequentie . Start de impedantiecontrole door op de impedantiecontroleknop op de DC-stimulator te drukken. Zorg ervoor dat de MR-modus is ingeschakeld.
    12. Voer de impedantiecontrole uit door op de betreffende knop op de stimulatorinterface te drukken; als de impedantie ≤25 kΩ is, gaat u naar de volgende stap (4.1.13). Als de impedantie voor een elektrode hoger is, drukt u de elektroden zachtjes op de hoofdhuid, draait u de dop vast en laat u de geleidende pasta opwarmen. Breng indien nodig meer pasta aan.
    13. Koppel de binnendoos los van de buitendoos en plaats de buitendoos in de golfgeleider van de scanner.
    14. Leid de deelnemer naar de scannerruimte terwijl u de binnendoos en aangesloten elektrodekabels vasthoudt.
      NOTITIE: Zorg er te allen tijde voor dat er geen spanning op de kabels staat, wat kan leiden tot verplaatsing van de elektrode.
    15. Vraag de deelnemer om op de MRI-onderzoekstafel te gaan zitten en sluit de binnendoos weer aan op de buitendoos (die in de golfgeleider van de scanner is ingebracht).
    16. Plaats de deelnemer comfortabel in rugligging op de MRI-onderzoekstafel, met het hoofd in de open hoofdspoel. Gebruik opblaasbare kussens aan beide zijden van het hoofd en een extra kussen aan de bovenkant van het hoofd om het te stabiliseren.
      NOTITIE: Opblaasbare kussens hebben aan de zijkanten de voorkeur boven schuimkussens om te voorkomen dat de elektrode verschuift wanneer de schuimkussens worden ingebracht.
    17. Leid de elektrodekabels door het onderste deel van de hoofdspoel voordat u het bovenste deel van de kopspoel bevestigt en op zijn plaats vergrendelt.
    18. Plaats de binnendoos naast de deelnemer op de MRI-onderzoekstafel en verplaats de deelnemer in de scannerboring.
    19. Verlaat de scannerruimte en informeer de deelnemer over de komende procedures via de communicatie-interface van de scanner voorafgaand aan elke structurele en functionele beeldvormingssequentie, evenals voorafgaand aan de tweede impedantiecontrole in de scanner.
  2. Gelijktijdige tDCS-fMRI
    1. Registreer de nieuwe deelnemer op de scanner Panel PC door te klikken op Hoofdmenu | Onderzoek | Patiëntenregistratie en vul de vereiste benodigde velden in. Ga naar Programmakeuze en verzamel en selecteer het geplande beeldvormingsprotocol. Klik op Patiëntoriëntatie en selecteer het hoofd eerst, optie in rugligging . Kies in het vervolgkeuzemenu Onderzoeksregio en lateraliteit de optie hersenen en klik op Onderzoek om naar het onderzoeksmenu te gaan.
    2. Volg de instructies op het scherm om de geplande scans te verkrijgen (pre-fMRI Pointwise Encoding Tijdreductie met Radial Acquisition (PETRA), fMRI, post-fMRI PETRA) in de volgorde die wordt weergegeven in de volgende stappen van dit protocol.
      1. Verkrijg een PETRA-scan waarmee de elektrodeposities op het hoofd van de deelnemer kunnen worden geverifieerd.
      2. Informeer de deelnemer dat er twee fMRI-scans van 10 minuten in rusttoestand zullen worden uitgevoerd en dat hij/zij zijn blik op een fixatiekruis moet houden (weergegeven via een projector en spiegels gemonteerd op de hoofdspoel) gedurende de gehele scanperiode (2 x 10 min).
      3. Start de tDCS-stimulatie door op de init-stimulatieknop op de paneel-pc te drukken. Klik op de start-triggerknop om de stimulatie te starten met een opstart van 10 s voordat u begint met de functionele beeldvormingssequenties. Dien tDCS gedurende 20 minuten toe met 2 mA.
        OPMERKING: Andere stimulatieprotocollen met verschillende ramping-perioden of stimulatie-intensiteiten of -duur zijn mogelijk.
      4. Na het einde van de functionele scans en stimulatieperiode wordt een tweede PETRA-scan gemaakt terwijl de elektroden nog op het hoofd van de deelnemer zijn bevestigd.
        OPMERKING: In vergelijking met de pre-fMRI PETRA-scan maakt dit het mogelijk om de potentiële elektrodebeweging over het tDCS-fMRI-experiment (d.w.z. drift) te bepalen.
    3. Koppel na voltooiing van de MRI-sessie de elektrodekabels los van de buitendoos en schakel de DC-stimulator uit, haal de deelnemer uit de scannerboring, verwijder de dop van het hoofd van de deelnemer en verwijder de elektroden.
    4. Inspecteer de hoofdhuid van de deelnemer op mogelijke roodheid van de huid veroorzaakt door de stimulatie. Reinig de hoofdhuid van de deelnemer waar de elektroden zijn geplaatst.
    5. Vraag de deelnemer aan het einde van het experiment om de tDCS-bijwerkingen29 en blinderende 31,32 vragenlijsten in te vullen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Gegevens van 43 gezonde jonge deelnemers (20 mannen / 23 vrouwen in de leeftijd van 24,74 ± 5,50 jaar) werden opgenomen. De deelnemers voltooiden maximaal vier fMRI-sessies. Neurogenavigeerde plaatsing van elektroden werd voorafgaand aan elke fMRI-sessie uitgevoerd. In totaal werden 338 datasets die de posities van de centrumanodes voor en na fMRI vertegenwoordigen, opgenomen in data-analyses.

Om de beoogde posities van de elektroden te bepale...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Kritieke stappen, mogelijke wijzigingen en probleemoplossing van de methode
Nauwkeurige positionering van elektroden is een cruciale technische factor in tDCS-experimenten, en afwijkingen van de beoogde hoofdhuidposities of elektrodedrift kunnen de stroomtoevoer naar de beoogde doelhersengebieden beïnvloeden42,43. Dit is met name relevant voor gefocaliseerde tDCS, aangezien de regionale specificiteit van de to...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

MAN zit in de wetenschappelijke adviesraden van Neuroelectrics en Précis. AH is gedeeltelijk in dienst van neuroConn GmbH. De andere auteurs hebben geen belangenconflicten te verklaren.

Dankbetuigingen

Dit onderzoek werd gefinancierd door de Duitse Stichting voor Wetenschappelijk Onderzoek (projectsubsidies: FL 379/26-1; ME 3161/3-1; CRC INST 276/741-2 en 292/155-1, Onderzoekseenheid 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 werd ondersteund door de Lundbeck Foundation (subsidie R313-2019-622). We danken Sophie Dabelstein en Kira Hering voor hun hulp bij het extraheren van gegevens.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Brainsight neuronavigatiesysteemBrainsight; Rogue Research Inc., Montréal, Canada
CR-5 Pro hoge temperatuur 3D-printer CREALITY, Shenzhen, China
DC-STIMULATOR MCNeuroConn GmbH, Ilmenau, Duitslandhttps://www.neurocaregroup.com/technology/dc-stimulator-mc
EMLA Crème 5%Aspen, Dublin, Ierland
MAGNETOM Vida 3T, syngo_MR_XA50 softwareSiemens Healthineers AG, Forchheim, Duitsland
Polaris cameraPolaris Vicra; Northern Digital Inc., Waterloo, Canada
Ten20 geleidende EEG-pastaWeaver and Company, Aurora, VS
TPU 3D-printerfilamentSUNLU International, Hong-Kong, China
Voorbeeld van alternatieven
Ingenia 3.0T (MR-scanner)Phillips, Amsterdam, Nederland
Localite TMS Navigator (Neuronavigatieapparatuur)Localite, Bonn, Duitsland
Neural Navigator (Neuronavigatieapparatuur)Soterix, New Jersey, VS
PEBA 3D-printerfilamentKimya, Nantes, Frankrijk
PLA 3D-printerfilamentFilamentworld, Neu-Ulm, Duitsland
StarStim (Stimulator)Neuroelectrics, Barcelona, Spanje

Referenties

  1. Perceval, G., Flöel, A., Meinzer, M. Can transcranial direct current stimulation counteract age-associated functional impairment. Neurosci Biobehav Rev. 65, 157-172 (2016).
  2. Simonsmeier, B. A., Grabner, R. H., Hein, J., Krenz, U., Schneider, M. Electrical brain stimulation (tES) improves learning more than performance: A meta-analysis. Neurosci Biobehav Rev. 84, 171-181 (2018).
  3. Chan, M. M. Y., Yau, S. S. Y., Han, Y. M. Y. The neurobiology of prefrontal transcranial direct current stimulation (tDCS) in promoting brain plasticity: A systematic review and meta-analyses of human and rodent studies. Neurosci Biobehav Rev. 125, 392-416 (2021).
  4. Stagg, C. J., Antal, A., Nitsche, M. A. Physiology of transcranial direct current stimulation. J ECT. 34 (3), 144-152 (2018).
  5. Meinzer, M., et al. Investigating the neural mechanisms of transcranial direct current stimulation effects on human cognition: current issues and potential solutions. Front Neurosci. 18, e1389651(2024).
  6. Sandrini, M., Umiltà, C., Rusconi, E. The use of transcranial magnetic stimulation in cognitive neuroscience: A new synthesis of methodological issues. Neurosci Biobehav Rev. 35 (3), 516-536 (2011).
  7. Bashir, S., et al. Effects of anodal transcranial direct current stimulation on motor evoked potentials variability in humans. Physiol Rep. 7 (13), e14087(2019).
  8. Breakspear, M. Dynamic models of large-scale brain activity. Nat Neurosci. 20 (3), 340-352 (2017).
  9. Crosson, B., et al. Functional imaging and related techniques: an introduction for rehabilitation researchers. J Rehabil Res Dev. 47 (2), vii-xxxiv (2010).
  10. Mier, W., Mier, D. Advantages in functional imaging of the brain. Front Hum Neurosci. 9, 249(2015).
  11. Antonenko, D., et al. Microstructural and functional plasticity following repeated brain stimulation during cognitive training in older adults. Nat Commun. 14 (1), e3184(2023).
  12. Jamil, A., et al. Current intensity- and polarity-specific online and aftereffects of transcranial direct current stimulation: An fMRI study. Hum Brain Mapp. 41 (6), 1644-1666 (2020).
  13. Keeser, D., et al. Prefrontal transcranial direct current stimulation changes connectivity of resting-state networks during fMRI. J Neurosci. 31 (43), 15284-15293 (2011).
  14. Meinzer, M., Lindenberg, R., Antonenko, D., Flaisch, T., Floel, A. Anodal transcranial direct current stimulation temporarily reverses age-associated cognitive decline and functional brain activity changes. J Neurosci. 33 (30), 12470-12478 (2013).
  15. Nardo, D., et al. Transcranial direct current stimulation with functional magnetic resonance imaging: a detailed validation and operational guide. Wellcome Open Res. 6, 143(2023).
  16. Meinzer, M., et al. Transcranial direct current stimulation and simultaneous functional magnetic resonance imaging. J Vis Exp. (86), e51730(2014).
  17. Bergmann, T. O., Hartwigsen, G. Inferring causality from noninvasive brain stimulation in cognitive neuroscience. J Cogn Neurosci. 33 (2), 195-225 (2021).
  18. Villamar, M. F., et al. Technique and considerations in the use of 4x1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). J Vis Exp. (77), e50309(2013).
  19. Gbadeyan, O., McMahon, K., Steinhauser, M., Meinzer, M. Stimulation of dorsolateral prefrontal cortex enhances adaptive cognitive control: A high-definition transcranial direct current stimulation study. J Neurosci. 36 (50), 12530-12536 (2016).
  20. Kuo, H. -I., et al. Comparing cortical plasticity induced by conventional and high-definition 4 × 1 ring tDCS: A neurophysiological study. Brain Stimul. 6 (4), 644-648 (2013).
  21. Martin, A. K., Su, P., Meinzer, M. Common and unique effects of HD-tDCS to the social brain across cultural groups. Neuropsychologia. 133, e107170(2019).
  22. Martin, A. K., Kessler, K., Cooke, S., Huang, J., Meinzer, M. The right temporoparietal junction Is causally associated with embodied perspective-taking. J Neurosci. 40 (15), 3089-3095 (2020).
  23. Müller, D., Habel, U., Brodkin, E. S., Clemens, B., Weidler, C. HD-tDCS induced changes in resting-state functional connectivity: Insights from EF modeling. Brain Stimul. 16 (6), 1722-1732 (2023).
  24. Seo, H., Kim, H. -I., Jun, S. C. The effect of a transcranial channel as a skull/brain interface in high-definition transcranial direct current stimulation-a computational study. Sci Rep. 7 (1), e40612(2017).
  25. Niemann, F., et al. Electrode positioning errors reduce current dose for focal tDCS set-ups: Evidence from individualized electric field mapping. Clin Neurophysiol. 162, 201-209 (2024).
  26. Field modeling for transcranial magnetic stimulation: A useful tool to understand the physiological effects of TMS. Thielscher, A., Antunes, A., Saturnino, G. B. 2015 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), , 222-225 (2015).
  27. Meinzer, M., et al. Investigating the neural mechanisms of transcranial direct current stimulation effects on human cognition: current issues and potential solutions. Frontiers in Neuroscience. 18, 1389651(2024).
  28. Ghadimi, M., Sapra, A. Magnetic resonance imaging contraindications. StatPearls. , (2024).
  29. Antal, A., et al. Low intensity transcranial electric stimulation: Safety, ethical, legal regulatory and application guidelines. Clin Neurophysiol. 128 (9), 1774-1809 (2017).
  30. Ekhtiari, H., et al. A checklist for assessing the methodological quality of concurrent tES-fMRI studies (ContES checklist): a consensus study and statement. Nat Protoc. 17 (3), 596-617 (2022).
  31. Dinn, W., et al. Effectiveness of tDCS blinding protocol in a sham-controlled study. Brain Stimul. 10 (2), 401(2017).
  32. Turner, C., Jackson, C., Learmonth, G. Is the "end-of-study guess" a valid measure of sham blinding during transcranial direct current stimulation. Eur J Neurosci. 53 (5), 1592-1604 (2021).
  33. Saturnino, G. B., et al. SimNIBS 2.1: A comprehensive pipeline for individualized electric field modelling for transcranial brain stimulation. Brain and Human Body Modeling. , 3-25 (2019).
  34. Windhoff, M., Opitz, A., Thielscher, A. Electric field calculations in brain stimulation based on finite elements: An optimized processing pipeline for the generation and usage of accurate individual head models. Hum Brain Mapp. 34 (4), 923-935 (2013).
  35. Puonti, O., et al. Accurate and robust whole-head segmentation from magnetic resonance images for individualized head modeling. NeuroImage. 219, e117044(2020).
  36. neuroConn Programmable multichannel current stimulator -- DC-Stimulator MC Instruction for use -- (Version 5.3.1). , (2021).
  37. Fleury, M., Barillot, C., Mano, M., Bannier, E., Maurel, P. Automated electrodes detection during simultaneous EEG/fMRI. Frontiers in ICT. 5, (2019).
  38. De Munck, J. C., Van Houdt, P. J., Gonçalves, S. I., Van Wegen, E., Ossenblok, P. P. W. Novel artefact removal algorithms for co-registered EEG/fMRI based on selective averaging and subtraction. NeuroImage. 64, 407-415 (2013).
  39. Rich, T. L., et al. Determining electrode placement for transcranial direct current stimulation: A comparison of EEG- versus TMS-guided methods. Clin EEG Neurosci. 48 (6), 367-375 (2017).
  40. Okamoto, M., et al. Three-dimensional probabilistic anatomical cranio-cerebral correlation via the international 10-20 system oriented for transcranial functional brain mapping. NeuroImage. 21 (1), 99-111 (2004).
  41. Herwig, U., Satrapi, P., Schönfeldt-Lecuona, C. Using the international 10-20 EEG system for positioning of transcranial magnetic stimulation. Brain Topogr. 16 (2), 95-99 (2003).
  42. Indahlastari, A., et al. The importance of accurately representing electrode position in transcranial direct current stimulation computational models. Brain Stimul. 16 (3), 930-932 (2023).
  43. Woods, A. J., Bryant, V., Sacchetti, D., Gervits, F., Hamilton, R. Effects of electrode drift in transcranial direct current stimulation. Brain Stimul. 8 (3), 515-519 (2015).
  44. Thair, H., Holloway, A. L., Newport, R., Smith, A. D. Transcranial direct current stimulation (tDCS): A beginner's guide for design and implementation. Front Neurosci. 11, e641(2017).
  45. De Witte, S., et al. Left prefrontal neuronavigated electrode localization in tDCS: 10-20 EEG system versus MRI-guided neuronavigation. Psychiatry Res Neuroimaging. 274, 1-6 (2018).
  46. Daoud, M., et al. Stereo-EEG based personalized multichannel transcranial direct current stimulation in drug-resistant epilepsy. Clin. Neurophysiol. 137, 142-151 (2022).
  47. Hunold, A., Haueisen, J., Nees, F., Moliadze, V. Review of individualized current flow modeling studies for transcranial electrical stimulation. J Neurosci Res. 101 (4), 405-423 (2023).
  48. Göksu, C., et al. Human in-vivo brain magnetic resonance current density imaging (MRCDI). NeuroImage. 171, 26-39 (2018).
  49. Göksu, C., Scheffler, K., Siebner, H. R., Thielscher, A., Hanson, L. G. The stray magnetic fields in magnetic resonance current density imaging (MRCDI). EJMP. 59, 142-150 (2019).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Meer artikelen verkennen

Neuronavigeerde elektrodeplaatsinggefocaliseerde tDCSnauwkeurigheid van elektrodeplaatsingmodellering van stroomstroomelektrodeverschuivingrusttoestand fMRIdorsolaterale prefrontale cortexEEG-kap
Neuronagenavigeerde gefocaliseerde transcraniële gelijkstroomstimulatie toegediend tijdens functionele magnetische resonantiebeeldvorming
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.