Bepaling van de stimulatie locatie met behulp van een 3D-digitizer met high-definition Transcraniële directe stroom stimulatie
December 20th, 2019
Hier gepresenteerd is een protocol om een hogere nauwkeurigheid te bereiken bij de bepaling van de stimulatie locatie, waarbij een 3D-digitizer wordt gecombineerd met high-definition Transcraniële directe stroom stimulatie.
Deze methode maakt gebruik van een 10-10-systeem om de beperkingen van transcraniële direct stroom stimulatie elektrode plaatsing te overwinnen, het verbeteren van de nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid van de methode. De belangrijkste voordelen van deze techniek zijn de lage kosten, eenvoudige toepassing en draagbaarheid. Deze methode is geschikt voor gebruik met andere technieken, bijvoorbeeld functionele nabij-infrarood spectroscopie, om de locatie van specifieke hersengebieden van belang te verifiëren.
Deze techniek is zeer eenvoudig als u bekend bent met de evenredige eis van het 10-10 systeem. Het aantonen van de procedure zal Chenyu Lv, een afgestudeerde student. Om een elektrode holding dop voor te bereiden, plaats een badmuts op hoofdvorm en meet de afstand tussen de nasion en inion.
Om het hoekpunt te lokaliseren, gebruikt u een huidmarkering om het middelpunt van de afstand tussen de nasie en de inion te markeren en de afstand tussen de preauriculaire punten te meten. Markeer het middelpunt van de preauriculaire punten. Het punt waarop beide middelpunten elkaar kruisen is de hoekpunt.
Volgens de 10-10 systeem, vind de CP6 en P6, en markeer de juiste middelpunt waarop deze punten elkaar kruisen, genaamd de juiste temporoparietale verbinding op de hoofdhuid. Pas vervolgens de straal van de vier retourelektroden aan op basis van de doelstellingen. En markeer het centrum en terug elektrode locaties op de dop.
Gebruik een metaalscanner om te bevestigen dat de omgeving voor 3D-digitalisering metaalvrij is om een 3D-digitizer-meting te verkrijgen. Plaats de badmuts op het hoofd van het onderwerp en gebruik de referentiemarkeringen op de dop om de dop uit te lijnen met het internationale 10-10-systeem voor de hoofdhuidlocatie. Wanneer de dop aanwezig is, gebruikt u een USB-interface om de 3D-digitizer op de computer aan te sluiten en te bevestigen dat de digitizer-software beschikbaar en klaar is.
Plaats de bron voor het onderwerp en bevestig het elastische touw van de sensor rond het hoofd van het onderwerp. In de digitizer-software bevestigt u dat het 3D-digitizer-systeem communiceert met de software en gebruik de stylus en een liniaallengte van 10 centimeter om de nul en tien graduaties op te nemen om de nauwkeurigheid van de stylus te bevestigen. Geef in de software de afstand tussen de twee opnamepunten weer.
Verzamel vervolgens de positiegegevens van de referentiepunten, centrumelektroden en de vier retourelektroden. Om tegemoet te komen aan de eis van de functionele nabij-infrarood spectroscopie experimenten, selecteren en opslaan van de zender detector en kanaal opties. Om de stimulatie te starten, installeert u volledig opgeladen batterijen in het apparaat en sluit u het conventionele transcraniële directstroomstimulatieapparaat en de vier aan door één stimulatieadapter.
Sluit de kabels van de vijf zilverzilvere chloride-gecentreerde ringelektroden aan op de bijpassende ontvangers op de vier door één adapteruitgangskabel. En meet het hoofd van het onderwerp. Plaats de plastic apparaat dop op het hoofd van het onderwerp, en insluiten van de vijf plastic high-definition behuizingen in de badmuts.
Zoek de hoekpunt FPZ en OZ van het onderwerp en pas de referentie op de dop aan om af te stemmen op het internationale 10-10-systeem voor hoofdhuidlocaties. Wanneer de dop aanwezig is, gebruikt u de 3D-digitizer om de positiegegevens van de gestimuleerde hersengebieden te verzamelen. Gebruik vervolgens het uiteinde van een plastic spuit om het haar zorgvuldig te scheiden door de opening van de plastic behuizing, totdat de hoofdhuid wordt blootgesteld en de blootgestelde huid te bedekken met de elektrisch geleidende gel.
Schakel op het apparaat de vier bij één multi-channel stimulatieadapter in en stel de kwaliteitswaarde in. Controleer of de standaardinstelling is ingesteld om te scannen en druk op de knop Modus selecteren. Schakel van de scan naar de doorgang en druk op de polariteitsknop om te selecteren, hetzij midden anode of kathode.
Pas de instellingen op de conventionele transcraniale direct stroom stimulatie apparaat om de stimulus duur, intensiteit en sham conditie instelling op te nemen en druk op de ontspanhendel om over te schakelen naar volle stroom. Zodra alles is ingesteld, drukt u op de startknop om de stimulatie te starten. De D.C.intensity zal opvoeren tot de doelstroom is bereikt, en de timer zal dan de resterende tijd weergeven.
Draai aan het einde van de stimulatie de hendel langzaam om de stroom op nul aan te passen voordat u de stroom uitschakelt. Open de plastic dop, verwijder de zilver- of zilverchloride gesinterde ringelektroden uit de behuizing en verwijder de badkap. Maak vervolgens de instrumenten schoon en voorziet het onderwerp van materialen waarmee ze hun haar kunnen reinigen.
Met behulp van de near infrared spectroscopie statistische parametrische mapping standalone registratie functie, de ruimtelijke registratie functie genereert MNI coördinaten. Om meetfouten te verminderen, werd de gemiddelde waarde van drie gegevenspunten uit de uiteindelijke MNI-coördinaten van de vijf elektroden berekend. In Broadman gebieden, worden het anatomische etiket en zijn aantal verkregen.
Het getal na elke regel geeft het overlappingspercentage aan. In anatomische automatische labels worden het anatomische label en het percentage overlapping verkregen. Voor de Broadman-gebieden en anatomische automatische labels vertegenwoordigt de waarde een percentage overlapping met de hersenschors.
Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat noch de bron, noch de sensor beweegt tijdens de 3D digitizer meting. Deze procedure kan worden gebruikt voor van gedachte lokalisaties of voor andere lokalisaties die nodig zijn om de functie van de hersenen te bestuderen. Deze techniek kan ook worden gebruikt in gepersonaliseerde hersenstimulatie voor nauwkeurige positionering.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Dit artikel presenteert een protocol dat een 3D-digitizer combineert met high-definition transcraniale directe stroomstimulatie (tDCS) om de nauwkeurigheid van de bepaling van de locatie van de stimulatie te verbeteren. De methode integreert het 10-10 elektrodeplaatsingssysteem en verbetert de reproduceerbaarheid en geschiktheid voor gebruik met andere technieken zoals functionele near-infrared spectroscopie.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Neurosimulatie
- Elektrofysiologie
Achtergrond
- Transcraniale directe stroomstimulatie (tDCS) wordt vaak beperkt door de nauwkeurigheid van de elektrodeplaatsing.
- High definition tDCS kan de ruimtelijke targeting van hersenstimulatietechnieken verbeteren.
- 3D-digitisering maakt nauwkeurige lokalisatie van elektroden mogelijk op basis van een gestandaardiseerd systeem.
- Deze methode kan complementaire gegevens leveren door integratie met functionele beeldvormingstechnieken.
Doel van de studie
- Om de nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid van elektrodeplaatsing in tDCS te verbeteren.
- Om een kosteneffectieve, draagbare oplossing te bieden voor lokalisatie van hersenstimulatie.
- Om nauwkeurige hersenstimulatie te vergemakkelijken voor onderzoeks- en therapeutische doeleinden.
Gebruikte methoden
- De studie gebruikt een 3D-digitizersysteem in combinatie met tDCS om stimulatielocaties nauwkeurig te bepalen.
- Het systeem gebruikt het 10-10 elektrodeplaatsingssysteem om specifieke hersengebieden te identificeren.
- Stappen omvatten het voorbereiden van een elektrodenkap, lokaliseren van anatomische herkenningspunten en het vastleggen van positiegegevens.
- Stimulatie wordt gestart met een geconfigureerd tDCS-apparaat nadat de nauwkeurigheid van de elektrodeplaatsing is bevestigd.
Belangrijkste resultaten
- Het protocol maakt nauwkeurige identificatie van stimulatielocaties mogelijk, wat de nauwkeurigheid van interventies verbetert.
- Gebruik van 3D-digitisering minimaliseert meetfouten geassocieerd met elektrodeplaatsing.
- Resultaten tonen verbeterde ruimtelijke resolutie voor hersenstimulatietoepassingen.
- De methode wordt gevalideerd door systematische overlappende metingen met hersenschorsregio's.
Conclusies
- Deze studie toont een nieuwe benadering om de effectiviteit van tDCS te verbeteren door de nauwkeurigheid van elektrodeplaatsing te verbeteren.
- De integratie met 3D-digitiseringstechnologieën draagt bij aan gepersonaliseerde hersenstimulatiestrategieën.
- In het algemeen heeft de methode significante implicaties voor het begrijpen en manipuleren van neuronale mechanismen in onderzoek.
Veelgestelde vragen
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.
