Lokalizacja celów specyficznych dla funkcji przezczaszkowej stymulacji magnetycznej w przypadku braku sprzętu nawigacyjnego

Podsumowanie

Ten artykuł opisuje, jak lokalizować cele specyficzne dla funkcji dla powtarzających się przezczaszkowych interwencji lub zabiegów, gdy sprzęt nawigacyjny jest niedostępny.

Streszczenie

Powtarzalna przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (rTMS) to nieinwazyjna technika, która moduluje aktywność neuronalną w mózgu. Badania wykazały, że rTMS może regulować plastyczność neuronalną, promować reorganizację sieci neuronowych i jest szeroko stosowany w zaburzeniach neuropsychiatrycznych, takich jak udar. Chociaż niektóre badania sugerują, że rTMS może pomóc w rehabilitacji po udarze, jego skuteczność pozostaje niepewna, prawdopodobnie z powodu ograniczeń w tradycyjnej lokalizacji gorącego punktu motorycznego ręki.

Punkt zapalny motoryki ręki jest określany przez motoryczne potencjały wywołane (MEP), które odzwierciedlają przewodnictwo drogi korowo-rdzeniowej lub piramidalnej, reprezentując ruch niedobrowolny. W przeciwieństwie do tego, punkty aktywacji funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) z zadania motorycznego definiują cele specyficzne dla funkcji, które obejmują zarówno percepcję, jak i realizację motoryczną, reprezentując ruch dobrowolny. Na tej podstawie proponujemy koncepcję celów specyficznych dla funkcji - celów zidentyfikowanych za pomocą technik obrazowania mózgu ukierunkowanych na określone funkcje. Cele specyficzne dla funkcji wykazują silniejszą i bardziej rozległą łączność funkcjonalną z regionami mózgu związanymi z poznaniem motorycznym, potencjalnie oferując skuteczniejsze efekty regulacyjne niż hotspoty.

Zbadaliśmy i zweryfikowaliśmy modulacyjne efekty celów specyficznych dla funkcji w poprzednim badaniu. Jednak instytucje nieposiadające sprzętu nawigacyjnego nie są w stanie wykorzystać tych celów specyficznych dla funkcji. W związku z tym opracowaliśmy metodę lokalizacji bez nawigacji dla celów specyficznych dla funkcji, specjalnie zaprojektowaną do definiowania i lokalizowania celów rTMS w półkuli ipsilateralnej po udarze, odpowiadając na wyzwania, przed którymi stoją instytucje pozbawione sprzętu nawigacyjnego podczas stosowania ukierunkowanego rTMS specyficznego dla funkcji.

Wprowadzenie

Powtarzalna przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (rTMS) to nieinwazyjna technika neuromodulacji, która może regulować aktywność mózgu i jest szeroko stosowana w leczeniu zaburzeń neuropsychiatrycznych, takich jak rehabilitacja dysfunkcji motorycznych ręki u pacjentów po udarze. Niektóre badania wykazały, że rTMS ma działanie terapeutyczne na następstwa po udarze^1,2,3, ale jego skuteczność pozostaje niepewna. Jedną z głównych przyczyn tej niepewności jest trudność w określeniu precyzyjnych celów stymulacji. Badania TMS ukierunkowane na funkcje motoryczne często opierają się na międzynarodowym systemie elektroencefalogramu 10-20 do lokalizacji, wykorzystując C3/C4 jako cele stymulacji, lub wykorzystują zindywidualizowane cele, takie jak hotspot motoryczny ręki. Jednak metody te nie mogą dokładnie określić obszarów korowych dotkniętych TMS. Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI), ukierunkowany rTMS jest szeroko stosowany w leczeniu depresji.

Nasze poprzednie badania również badały jego zastosowanie w leczeniu zespołu Tourette'a poprzez stymulację dodatkowego obszaru motorycznego⁴, ale nie został on jeszcze zastosowany do głównego obszaru motorycznego (M1). W przypadku rTMS M1 różni się od innych obszarów mózgu, ponieważ zawiera punkt zapalny motoryki ręki. Skurcze mięśni wywołane przez TMS reprezentują ruchy mimowolne, odzwierciedlające przewodzenie od góry do dołu przez drogi korowo-rdzeniowe lub piramidowe. W przeciwieństwie do tego, pikowe woksele aktywacji zdefiniowane przez fMRI podczas zadań stukania palcami są bardziej funkcjonalnie połączone z obszarami mózgu zaangażowanymi w poznanie motoryczne, reprezentując dobrowolne ruchy⁵. Dlatego w przypadku leczenia zaburzeń ruchowych zastosowanie "aktywacji" związanej z zadaniem, zdefiniowanej przez fMRI jako cele specyficzne dla funkcji, może prowadzić do poprawy wyników terapeutycznych^5,6. W naszej poprzedniej pracy porównaliśmy wzorce aktywacji mózgu między zadaniem kierowanym wizualnie a zadaniem zainicjowanym samodzielnie za pomocą fMRI i ustaliliśmy, że zadanie zainicjowane przez siebie jest bardziej zgodne z wymaganiami aktywnego treningu rehabilitacyjnego⁶. Potwierdziliśmy to odkrycie, ponownie analizując podzbiór danych z oryginalnego badania (Rysunek 1).

Dokładne celowanie w konkretne obszary funkcji mózgu wymaga precyzyjnych narzędzi nawigacyjnych. Jednak obecne systemy są nie tylko kłopotliwe w obsłudze i mają ograniczoną funkcjonalność, ale kalibratory montowane na głowie często nie pozostają stabilne podczas zabiegów, są podatne na przesuwanie się i są drogie - czasami kosztują nawet milion juanów chińskich (CNY), czyli około 140 000 dolarów amerykańskich (USD). Zgodnie z ankietą dotyczącą wzorców użytkowania wśród instytucji członkowskich Konsorcjum Medycyny Precyzyjnej ds. Terapii Przezczaszkowej Stymulacji Magnetycznej pod Kontrolą Obrazowania (PRECISE), wady te doprowadziły do tego, że technologie nawigacyjne są stosowane w mniej niż 5% badań TMS i praktyki klinicznej w Chinach, pomimo ich potencjalnych korzyści. Ważniejsze jest jednak to, że systemy te skupiają się jedynie na "lokalizowaniu" miejsc stymulacji, nie zajmując się krytyczną kwestią "zdefiniowania" celu, tj. wyboru najbardziej odpowiedniego obszaru do stymulacji. Biorąc pod uwagę wysokie koszty, złożoność operacyjną i wymagania czasowe, urządzenia te nie osiągnęły jeszcze powszechnego zastosowania klinicznego.

Aby sprostać wyzwaniu polegającemu na używaniu celów specyficznych dla funkcji bez urządzeń nawigacyjnych, zbadaliśmy metodę nienawigowanych, ukierunkowanych rTMS. Korzystając z fMRI, zidentyfikowaliśmy cele specyficzne dla funkcji w korze ruchowej i rzutowaliśmy je na powierzchnię skóry głowy, co pozwoliło na zdefiniowanie i lokalizację celu bez konieczności korzystania ze sprzętu nawigacyjnego⁷. Chociaż rTMS bez nawigacji nie zapewnia monitorowania w czasie rzeczywistym przez cały proces, rozwiązuje problemy z precyzją lokalizacji celu w warunkach klinicznych, w których urządzenia nawigacyjne są niedostępne. W niniejszym artykule omówiono ogólne uzasadnienie badania i nakreślono cały proces eksperymentalny, ze szczególnym naciskiem na porównanie wpływu celów specyficznych dla funkcji na funkcjonowanie mózgu zarówno w warunkach nawigacji, jak i bez niej. Aby zweryfikować wykonalność ukierunkowanego rTMS specyficznego dla funkcji, obecne badanie obejmowało tylko osoby zdrowe.

Protokół

Ta praca została zatwierdzona przez Komisję Etyki Uniwersytetu Sportowego w Chengdu, a wszyscy uczestnicy wyrazili pisemną świadomą zgodę (Rysunek 2). Protokół ten opisuje ukierunkowany rTMS bez nawigacji i z nawigacją, specyficzny dla funkcji.

1. Rekrutacja uczestników

1. Zrekrutuj 10 zdrowych, praworęcznych dorosłych uczestników (w wieku od 22 do 29 lat, w tym 5 kobiet i 5 mężczyzn; średni wiek 24 ± 2 lata). Wyklucz jednego uczestnika z powodu ruchu głowy przekraczającego 2,5 mm w transporcie lub 2,5 ° w obrocie. Na koniec uwzględnij 9 uczestników w analizie statystycznej.
   1. Kryteria włączenia
      1. Rekrutuj uczestników w wieku od 18 do 30 lat, którzy są praworęczni, przechodzą zarówno badania przesiewowe MRI, jak i TMS i nie mają historii epilepsji ani innych zaburzeń neurologicznych lub psychiatrycznych.
      2. Upewnij się, że uczestnicy spełniają dodatkowe kryteria, takie jak brak przeciwwskazań do badania MRI, brak historii uszkodzenia mózgu lub ciężkiej choroby serca oraz że nie przyjmują obecnie leków przeciwpadaczkowych lub przeciwzakrzepowych.
      3. Rekrutuj uczestników, którzy nie mają zaburzeń świadomości, nie mają metalowych przedmiotów w swoim ciele (takich jak rozruszniki serca, metalowe implanty dentystyczne lub wkładka wewnątrzmaciczna), nie mają ciężkiej klaustrofobii lub ciąży i których wzrok jest normalny lub skorygowany do normy.
2. Kryteria wykluczania danych po eksperymencie
   1. Wyklucz dane od uczestników, którzy nie są w stanie ukończyć eksperymentu lub których ruch głowy podczas skanowania fMRI przekracza 2,5 mm translacji lub 2,5° obrotu.
3. Wskazówki dla uczestników przed eksperymentem
   1. Upewnij się, że wszyscy uczestnicy podpisali formularz świadomej zgody, który wyjaśnia cel badania, procedury eksperymentalne oraz potencjalne skutki uboczne i związane z nimi ryzyko.
   2. Przeprowadzanie kontroli bezpieczeństwa dla uczestników.
   3. Wyjaśnij procedury eksperymentalne i środki ostrożności w celu zapewnienia płynnego przeprowadzenia eksperymentu.
   4. Poradź uczestnikom, aby przed eksperymentem unikali alkoholu, kawy lub intensywnych ćwiczeń.
   5. Przypomnij uczestnikom, aby się wysypiali i unikali zostawania do późna.

2. Akwizycja danych fMRI

UWAGA: Wszyscy uczestnicy przechodzą skanowanie MRI w Centrum Obrazowania Mózgu Rezonansu Magnetycznego na Kampusie Qingshuihe Uniwersytetu Nauk i Technologii Elektronicznych w Chinach, przy użyciu skanera 3T GE MR750. Każda sesja skanowania obejmuje obraz strukturalny T1-zależny, 8-minutowy fMRI w stanie spoczynku (RS-fMRI) i 4-minutowy Task-fMRI. Uczestnicy otrzymują dwie interwencje rTMS: jedną z nawigacją, a drugą bez, z 1-tygodniową przerwą między sesjami w celu wyeliminowania efektów resztkowych. Przeprowadź skany MRI przed i po każdej interwencji, w sumie cztery skany.

UWAGA: Zrównoważ sekwencję warunków nawigacji i braku nawigacji u uczestników.

1. Procedury skanowania
   1. Przed wejściem do sali rezonansu magnetycznego należy założyć uczestnikom zatyczki do uszu, aby zmniejszyć hałas i upewnić się, że wszystkie metalowe przedmioty zostały usunięte.
   2. Wyjaśnij zadania, które uczestnicy muszą wykonać podczas skanowania.
   3. Upewnij się, że uczestnicy leżą na wznak na łóżku skanującym, z głowami bezpiecznie zamocowanymi za pomocą piankowych podkładek, aby zminimalizować ruchy głowy.
   4. Podczas skanowania RS-fMRI poinstruuj uczestników, aby zamknęli oczy, unikali celowego myślenia i pozostali przytomni, aby zapobiec zasypianiu.
   5. Ręcznie wyeksportuj obrazy na wyznaczony dysk sieciowy lub zewnętrzne urządzenie pamięci masowej.
2. Parametry skanowania
   1. Użyj następujących parametrów skanowania RS-fMRI: czas powtarzania (TR) = 2,000 ms, czas echa (TE) = 30 ms, kąt odwrócenia (FA) = 90°, pole widzenia (FOV) = 220 mm × 220 mm, matryca = 64 x 64, grubość warstwy/szczelina = 3,4 mm/0 mm, w sumie 41 plasterków, pokrywających cały mózg i 240 zebranych punktów czasowych.
   2. Użyj następujących parametrów skanowania obrazów strukturalnych T1: sekwencja Spoiled Gradient Recall Echo (SPRG), skan strzałkowy TR/TE = 8,2 ms/2,98 ms, FA = 8°, FOV = 256 mm x 256 mm, matryca = 256 x 256, grubość/przerwa warstwy = 1 mm/0 mm, ze 166 warstwami pokrywającymi cały mózg.
   3. Użyj parametrów skanowania task-fMRI, które są identyczne z parametrami RS-fMRI, z tą różnicą, że zbieranych jest tylko 120 punktów czasowych.
3. Szczegóły wykonania zadania
   1. Ustaw uczestników z dłońmi skierowanymi do góry, trzymając pudełko z przyciskami.
   2. Umieść ręczniki między głowami uczestników a cewką, aby ustabilizować ich głowy i zminimalizować ruch.
   3. Projektowanie bloków, zadanie inicjowane samodzielnie (4 min): Gdy na ekranie pojawi się obraz "+", poproś uczestników o odpoczynek. Gdy na ekranie pojawi się obraz zegara, poinstruuj uczestnika, aby naciskał przycisk prawym kciukiem co 2 sekundy, samodzielnie mierząc czas (Rysunek uzupełniający S1).

3. Pomiar progu silnika spoczynkowego (RMT)

UWAGA: Użyj elektromiografii powierzchniowej (EMG) do zarejestrowania amplitudy potencjału wywołanego motoryką (MEP) z prawego mięśnia odwodziciela pollicis brevis (APB), używając 70-milimetrowej cewki ósemkowej dołączonej do stymulatora Magstim Super Rapid2 do pomiaru RMT ze stymulacją pojedynczym impulsem.

1. Usuń wszystkie metalowe przedmioty przed testowaniem, aby uniknąć zakłóceń i zapewnić bezpieczeństwo.
2. Niech uczestnicy usiądą na krześle i całkowicie się zrelaksują.
3. Nałóż peeling złuszczający i 75% alkohol na dłonie uczestników.
4. Umieść elektrody powierzchniowe srebra/chlorku srebra (Ag/AgCl) na brzuchu mięśniowym.
5. Umieść elektrodę odniesienia na stawie śródręczno-paliczkowym, upewniając się, że odległość między elektrodami wynosi od 20 mm do 30 mm.
   UWAGA: Istotne parametry: Do pomiarów należy używać elektrod o średnicy 9 mm. Sygnał EMG z mięśnia APB jest wzmacniany 1000 razy, filtrowany pasmowo-przepustowo w zakresie od 20 Hz do 2,5 kHz, a następnie digitalizowany za pomocą interfejsu mikrocyfrowego z częstotliwością próbkowania 5 kHz. Dane są następnie przechowywane na komputerze i wyświetlane na ekranie.
6. Załaduj obraz strukturalny T1 danej osoby. Umieść cewkę nad przeciwległym obszarem motoryki pierwotnej, a konkretnie na "środkowym kolanie" bruzdy centralnej, znanej również jako "gałka ręczna", która reprezentuje obszar ręki w pierwotnej korze ruchowej.
   UWAGA: Potwierdź rozluźnienie mięśni zarówno wizualnie, jak i za pomocą monitorowania EMG.
7. Przesuwaj cewkę wokół "pokrętła ręcznego" w krokach co 0,5 cm.
8. Ustaw uchwyt pod kątem 45° do środkowej płaszczyzny strzałkowej, aby zmierzyć MEP.
9. Zacznij od intensywności stymulacji podprogowej, zwiększając ją za każdym razem o 5% maksymalnej mocy bodźca. Gdy amplituda międzyszczytowa MEP przekroczy 50 μV, należy stopniowo zmniejszać intensywność stymulacji o 1% maksymalnej mocy wyjściowej.
10. Należy zapisać minimalną intensywność stymulacji, która wywołuje co najmniej pięć MEP większe lub równe 50 μV w 10 kolejnych stymulacjach pojedynczym impulsem jako RMT, przy czym to miejsce określa się jako hotspot. Jeśli po sześciu stymulacjach nie można określić hotspotu, przenieś cewkę w następne miejsce.

4. Zindywidualizowany, ukierunkowany na funkcje rTMS

1. Zdefiniuj zindywidualizowany cel specyficzny dla funkcji.
   1. Po otwarciu oprogramowania do wstępnego przetwarzania kliknij DPARSF 5.4, a następnie wybierz DPARSF Advanced Edition, aby wstępnie przetworzyć dane stanu zadania przy użyciu określonych parametrów pokazanych w pliku uzupełniającym 1. Wykonaj korekcje czasu cięcia i ruchu głowicy. Połącz obrazy funkcjonalne z obrazami strukturalnymi i zastosuj wygładzanie przestrzenne z pełną szerokością przy połowie maksimum (FWHM) 6 mm.
      UWAGA: Dostosuj określone parametry do modelu maszyny lub zadania skanowania.
   2. Otwórz SPM12 i kliknij Coregister Estimate. W polu Reference Image (Obraz referencyjny) wybierz plik o nazwie "sub*crop_1.nii" z folderu T1Img. W przypadku obrazu źródłowego wybierz plik "mean*.nii" z folderu RealignParameter. W polu Other Image (Inny obraz) wybierz plik "ra*.nii" z folderu FunImgAR.
      UWAGA: Użyj funkcjonalnego pliku obrazu wygenerowanego po korekcji ruchu i korekcji czasu plasterka jako "Inny obraz". W zależności od celu badawczego można dobierać pliki alternatywne.
   3. Kliknij Segment | Woluminy i wybierz plik o nazwie "sub*crop_1.nii" z folderu T1Img. W polu Pola deformacji wybierz opcję Odwrotność + Do przodu, a następnie kliknij przycisk Uruchom. Powtórz ten proces, aby podzielić plik "sub*.nii" z folderu T1Img.
      UWAGA: Podziel na segmenty "sub*crop_1.nii", aby obliczyć punkt aktywacji pojedynczego zadania. Podziel na segmenty "sub*.nii", aby przekształcić standardową maskę przestrzeni w pojedynczą przestrzeń.
   4. Kliknij Smooth, wybierz pliki "ra*.nii" z folderu FunImgAR dla opcji Image to Smooth i wprowadź 6 6 6 w polu FWHM.
   5. Przeprowadź analizę pierwszego poziomu, aby uzyskać indywidualne mapy aktywacji i zidentyfikować szczytowy woksel aktywacji jako cel stymulacji. Uwzględnij następujące trzy kroki:
      1. Utwórz nowy folder o nazwie "indiv_act" i kliknij Określ 1. poziom. W polu Katalog wybierz folder "indiv_act", kliknij Jednostki do projektowania, wybierz Skanowania i wprowadź 2 jako interwał skanowania. W sekcji Data & Design (Dane i projekt) wybierz pliki "*.nii" w obszarze Skanowania; w sekcji Warunek ustaw Nazwę do dotknięcia (nazwa niestandardowa), wprowadź 0 30 60 90 dla Początku i ustaw Czas trwania na 15. Kliknij Wiele regresorów i wybierz plik "rp_a*.txt" z RealignParameters.
         UWAGA: Wypełnij informacje o początku i czasie trwania zgodnie z rzeczywistym projektem eksperymentalnym.
      2. Oszacowanie: W polu "Select SPM.mat" wybierz plik "SPM.mat" z folderu "indiv_act" i wygeneruj mapę aktywacji poszczególnych zadań "spmT_0001".
      3. Kliknij Wyniki, wybierz plik "SPM.mat" z folderu "indiv_act", zaznacz t-contrast i kliknij Zdefiniuj nowy kontrast. Wprowadź niestandardową nazwę w polu nazwy, wprowadź 1 0 w polu kontrastu, kliknij Prześlij | Zgadzam się | Gotowe. W obszarze Zastosuj maskowanie wybierz opcję Brak; W obszarze Korekta wartości p do ustawienia wybierz opcję Brak z wartością 0,001; Ustaw wartość progu & Extend na 0.
   6. Kliknij Normalizuj (Zapisz) | Dane. W polu Pola deformacji wybierz plik "iy_Crop_1" z folderu T1IMG. W polu Obraz do zapisania wybierz maskę regionu mózgu M1. Wprowadź poszczególne rozmiary obwiedni i wokseli.
      UWAGA: Wprowadź pole ograniczenia i rozmiary wokseli na podstawie określonych cech danych.
   7. Kliknij Coregister (Reslice), a następnie wybierz spmT_0001 z folderu "indiv_act" dla Image Defining Space. W polu Image to Reslice (Obraz do ponownego wycięcia) wybierz plik "w*.nii" wygenerowany w kroku 4.1.6.
   8. Obliczanie szczytu aktywacji poszczególnych zadań: w programie MATLAB uruchom kod dodatniego sortowania. W polu InputName1 wybierz ścieżkę do pliku "rw*.nii" wygenerowanego w kroku 4.1.7; dla InputName2 wybierz ścieżkę do pliku "spmT_0001" z folderu "indiv_act"; w polu InputName3 wybierz ścieżkę folderu wyjściowego. Pierwsza współrzędna X z wartością ujemną (lewa półkula) w posortowanych wynikach to pik aktywacji pojedynczego zadania; Zapisz współrzędne tego punktu.
2. Zlokalizuj zindywidualizowany cel specyficzny dla funkcji (nawigowany).
   1. Określ intensywność wyjściową stymulatora na podstawie RMT uczestnika.
   2. Zastosuj bezramkowy stereotaktyczny system neuronawigacji optycznej, w którym uczestnik siedzi wygodnie i nosi kalibrator zamontowany na głowie.
   3. Kliknij opcję anatomiczną: Zaimportuj obrazy strukturalne uczestnika z obciążeniem T1 do systemu nawigacji w celu modelowania głowy.
   4. Kliknij opcję Rekonstrukcja: Zrekonstruuj skórę na obrazie.
   5. Kliknij opcję Punkty orientacyjne: Użyj narzędzia lokalizatora, aby zaznaczyć cztery punkty orientacyjne (nasiono, czubek nosa i punkty przeduszne po obu stronach) na głowie.
   6. Kliknij opcję Cel: Zidentyfikuj i ustal docelową trajektorię w regionie mózgu. Zlokalizuj cel stymulacji na indywidualnych obrazach uczestnika. Po ustawieniu pozycji przesuń cel, aby zrównał się z krzyżem nitkowym. Kompletna lokalizacja TMS.
      UWAGA: Spraw, aby cewka była styczna do skóry głowy i wyrównaj ognisko stymulacji z celem.
3. Zlokalizuj zindywidualizowany cel specyficzny dla funkcji (bez nawigacji).
   UWAGA: Cały kod lokalizacji docelowej skóry głowy znajduje się w pliku uzupełniającym 2.
   1. Użyj SPM12, aby podzielić standardowy szablon mózgu Instytutu Neurologicznego w Montrealu (MNI) (mni_icbm152_t1_tal_nlin_asym_09c.nii, znajdujący się w folderze Szablony DPABI), aby uzyskać standardową maskę skóry głowy. Konkretne kroki są następujące:
      1. Otwórz SPM12, kliknij fMRI, a następnie wybierz Segment z menu podręcznego. W interfejsie parametrów kliknij przycisk Objętości, wybierz standardowy plik szablonu mózgu (tj. szablon mózgu MNI) z opcji Woluminy, a następnie kliknij Pola deformacji, aby wybrać Odwrotność + Do przodu.
      2. Nakreśl wewnętrzną i zewnętrzną krawędź standardowej skóry głowy: W programie MATLAB uruchom krawędzie kodu. W wyskakującym okienku wybierz obraz c5.nii, kliknij Gotowe i wygeneruj plik "c5_edges.nii".
      3. Nakreśl obraz skrajnej krawędzi standardowej skóry głowy: W programie MATLAB uruchom kod outer_edge. W wyskakującym interfejsie wybierz plik c5_edges.nii i kliknij Gotowe, aby wygenerować plik "c5_outer_edge.nii", który reprezentuje granicę skóry głowy w standardowej przestrzeni.
   2. Użyj SPM12, aby przekształcić standardową krawędź skóry głowy z powrotem w indywidualną przestrzeń. W interfejsie menu kliknij Normalizuj (Zapis), a następnie w interfejsie parametrów kliknij Dane. W polu Pola deformacji wybierz plik iy_sub*.nii z folderu T1Img. Wybierz c5_outer_edge.nii dla opcji Obrazy do zapisania i wprowadź indywidualne pole ograniczenia oraz rozmiary wokseli.
   3. Zamień współrzędne kory mózgowej na współrzędne skóry głowy: Otwórz kod TransCortex2Scalp w MATLAB i wykonaj pierwszy wiersz. W wyskakującym interfejsie wprowadź współrzędne poszczególnych punktów aktywacji zadania i wybierz plik wc5_outer_edge.nii. Zapisz współrzędne skóry głowy.
   4. Otwórz DPABI_Viewer, kliknij Podkład i wybierz indywidualny obraz konstrukcyjny T1. Zlokalizuj i zapisz współrzędne czterech punktów orientacyjnych: lewego i prawego szczytu małżowiny usznej, nasiona i wejściówki.
   5. Zdefiniuj początek układu współrzędnych skóry: Otwórz kod skrzyżowania w programie MATLAB. W edytorze wprowadź współrzędne czterech punktów orientacyjnych w ich określonych pozycjach. Uruchom kod, aby obliczyć współrzędne przecięcia linii łączącej lewą i prawą końcówkę douszną z linią łączącą nasion i inion, a następnie zapisz współrzędne.
   6. Przesuń punkt przecięcia wzdłuż osi Z do skóry głowy: Otwórz kod początkowy w programie MATLAB. Wprowadź współrzędne punktu przecięcia w pozycji Zdefiniuj punkt H w edytorze. Uruchom kod, a następnie wybierz plik wc5_outer_edge.nii w wyskakującym okienku, aby uzyskać współrzędne początkowe skóry głowy O.
      1. Narysuj linię łączącą dwie końcówki douszne, aby zdefiniować oś X, oraz linię łączącą nasiono i zewnętrzną wypukłość potyliczną, aby zdefiniować oś Y. Oś prostopadła do obu definiuje oś Z. Płaszczyzna dwuwymiarowa utworzona przez oś XY to płaszczyzna XY.
   7. Oblicz rzeczywistą odległość od punktu początkowego skóry głowy O do każdego punktu: Uruchom kod odległości, wybierz plik wc5_outer_edge w wyskakującym interfejsie, a następnie w oknie poleceń postępuj zgodnie z instrukcjami, aby wprowadzić początek skóry głowy, cel skóry głowy i cztery punkty orientacyjne.
      UWAGA: "Każdy punkt" odnosi się do czterech punktów orientacyjnych skóry głowy w kroku 4.3.4 i celu skóry głowy. Ten kod może obliczyć tylko odległość łuku między jednym punktem a drugim na raz. Aby obliczyć odległość między różnymi parami punktów, musisz ponownie uruchomić kod.
   8. Oblicz kąt między linią łączącą cel skóry głowy a początkiem układu współrzędnych oraz oś X w płaszczyźnie XY: Otwórz calculate_angle_X_axis kodu i uruchom pierwszy wiersz. W oknie poleceń wprowadź współrzędne początku skóry głowy i celu stymulacji zgodnie z monitem.
   9. Użyj linijki celowania (jak pokazano na Rysunek 3), aby ustalić odpowiednią pozycję miękkiej linijki na podstawie odległości i kąta obliczonych w poprzednich krokach. Oznacz skórę głowy zmywalnym pisakiem. Uzupełnij lokalizację celu stymulacji skóry głowy (Rysunek 4).
4. Sieć rTMS
   1. Wybierz tryb powtarzalny, aby ustawić parametry stymulacji, w tym intensywność stymulacji, częstotliwość (10 Hz), czas trwania (3 s), liczbę impulsów w każdym pociągu (30 impulsów), czas oczekiwania (12 s), liczbę pociągów (60 pociągów) i całkowitą liczbę impulsów dostarczonych dziennie (1 800 impulsów).
   2. Zapisz sesję i naciśnij przycisk Uruchom, aby rozpocząć stymulację.
      UWAGA: Intensywność stymulacji jest ustawiana zgodnie z RMT uczestnika, który w tym badaniu jest ustawiony na 100% RMT.
   3. W ciągu pół godziny po zakończeniu stymulacji poproś uczestnika o poddanie się kolejnemu skanowaniu MRI, przy użyciu tej samej sekwencji skanowania, która była używana przed stymulacją.

5. Wykrywanie efektów modulacyjnych rTMS (przetwarzanie i analiza danych MRI)

UWAGA: Użyj oprogramowania do wstępnego przetwarzania danych RS-fMRI, które obejmuje następujące konkretne kroki:

1. Usuń pierwsze 10 punktów czasowych, aby osiągnąć równowagę sygnału i umożliwić uczestnikom dostosowanie się do szumu skanera.
2. Poprawiono opóźnienie czasu pobierania między wycinkami.
3. Wykonaj korekcję ruchu głowy.
   UWAGA: W zależności od konkretnych wymagań badania można ustawić różne limity ruchu głowy.
4. Znormalizuj obrazy funkcjonalne do przestrzeni MNI przy użyciu szablonu EPI.
5. Regresja uciążliwych sygnałów, w tym tych z istoty białej, płynu mózgowo-rdzeniowego i sześciu parametrów ruchu głowy.
6. Usuń trendy liniowe.
7. Zastosuj filtrowanie pasmowo-przepustowe (0,01-0,1 Hz).
8. Przeprowadź wygładzanie przestrzenne za pomocą jądra Gaussa o FWHM 6 mm.
9. Obliczanie wskaźników aktywności mózgu po wstępnym przetworzeniu, w tym amplitudy fluktuacji niskiej częstotliwości (ALFF) i łączności funkcjonalnej (FC). Oblicz różnice w lokalnych wskaźnikach aktywności mózgu (ALFF i FC) między pre-rTMS i post-rTMS zarówno w warunkach nawigacji, jak i bez nawigacji, a następnie przeprowadź sparowane testy t na mapach różnic (poprawka GRF, woksel p < 0,001, klaster p < 0,05).

Wyniki

Wyniki sparowanego testu t oraz dwuczynnikowej analizy wariancji (ANOVA) wskazały na brak istotnych różnic w zmianach ALFF lub FC przed i po rTMS zarówno w warunkach z nawigacją, jak i bez nawigacji (korekcja GRF, voxel p < 0,001, klaster p < 0,05). Nie zaobserwowano istotnych różnic między warunkami z nawigacją i bez nawigacji. Wynik ten jest zgodny z naszymi oczekiwaniami i wskazuje, że nasza metoda bez nawigacji nie wykazuje istotnej wady w porównaniu z metodą z nawigacją. Aby uniknąć niepopartych dowodami twierdzeń o braku istotnych różnic, przedstawiamy tutaj mapy testu t dla jednej próby dla obu warunków rTMS (bez korekty, voxel p < 0,05) (Rysunek 5). Wyniki te nie utrzymują się po zastosowaniu żadnego rodzaju korekty na wielokrotne porównania, takiej jak FDR lub GRF. W celu oceny równoważności zmian funkcji mózgu wywołanych metodami bez nawigacji i z nawigacją przeprowadzono analizę mocy z wykorzystaniem d Cohena. Wyniki wykazały, że wartość d Cohena dla ALFF wyniosła 0,22, natomiast wartość d Cohena dla FC wyniosła 0,56.

Rycina 1: Wyniki dla sparowanych testów t. (A) Różnice między łącznością funkcjonalną opartą na aktywacji a łącznością opartą na hotspotach APB (korekcja GRF, pojedynczy woxel p < 0.001, poziom klastra p < 0.05). (B) Różnice w aktywacji mózgu między zadaniami stukania palcami inicjowanymi samodzielnie a sterowanymi wizualnie u 25 uczestników (korekcja FDR, q < 0.05). (C) Różnice między łącznością funkcjonalną opartą na aktywacji w stanie inicjowania samodzielnego a sterowania wizualnego u 35 uczestników (korekcja GRF, pojedynczy woxel p < 0.001, klaster p < 0.05). Rycina 1A została zaadaptowana z Wang et al. (2020)⁵; Rycina 1B,C zostały przygotowane poprzez wyodrębnienie innego podzbioru danych z Wang et al. (2023)⁶. Skróty: APB = Abductor Pollicis Brevis; GRF = Gaussian Random Field; FDR = False Discovery Rate. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 2: Schemat blokowy projektu eksperymentalnego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Schemat linijki celowniczej. (A) Widok z przodu linijki celowniczej. 1. Uchwyt; 2. Punkt zakotwiczenia na skórze głowy (tj. początek układu współrzędnych XY na skórze głowy); 3. Sztywna linijka pomiarowa (materiał akrylowy); 4. Obracalna i elastyczna linijka pomiarowa (materiał silikonowy). (B) Powiększony widok punktu zakotwiczenia na skórze głowy (tj. powiększony widok elementu 2 w A). (C) Powiększony widok elastycznej linijki pomiarowej (tj. powiększone widoki elementów 3 i 4 w A). Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Konwersja specyficznego dla funkcji celu korowego na specyficzny dla funkcji cel skórny. Czerwona kropka reprezentuje specyficzny dla funkcji cel korowy, zielona kropka reprezentuje specyficzny dla funkcji cel skórny, a niebieska kropka wskazuje początek dwuwymiarowego układu współrzędnych na skórze głowy. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 5Wyniki dla jednej próby t-testy (A) Modulacyjne efekty nienawigowanej rTMS na funkcje mózgu (p < 0,05, bez korekty). (B) Modulacyjne efekty nawigowanej rTMS na funkcje mózgu (p < 0,05, bez korekty). Skróty: FC = łączność funkcjonalna; ALFF = amplituda fluktuacji niskoczęstotliwościowych; rTMS = powtarzalna przezczaszkowa stymulacja magnetyczna. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Plik uzupełniający 1: Parametry użyte w programie DPARSF Advanced Edition, wspomniane w sekcji 4.1.1 protokołu. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 2: folder zip zawierający kod MATLAB użyty w niniejszym badaniu. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Rysunek dodatkowy S1: Zadanie samodzielnego stukania palcami. Zadanie składało się z ośmiu bloków, z których każdy trwał 30 s, co dało łączny czas trwania 4 min. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

W tym badaniu proponujemy koncepcję celów specyficznych dla funkcji, które są regionami mózgu związanymi z określonymi funkcjami zidentyfikowanymi za pomocą technik neuroobrazowania. Zainspirowani poprzednimi badaniami ^8,9,10, opracowaliśmy nowy zestaw narzędzi ^7,11,12 do lokalizowania celów skóry głowy odpowiadających obszarom kory mózgowej specyficznych dla funkcji, umożliwiając ukierunkowany rTMS specyficzny dla funkcji bez konieczności stosowania sprzętu nawigacyjnego. W porównaniu ze stymulacją za pomocą sprzętu nawigacyjnego nie zaobserwowano istotnych różnic w wpływie na funkcjonowanie mózgu. Sugeruje to, że w niektórych przypadkach nasza metoda może osiągnąć zindywidualizowany, ukierunkowany rTMS specyficzny dla danej funkcji bez konieczności stosowania drogiego sprzętu nawigacyjnego.

Podstawowe kroki w protokole eksperymentalnym
Aby zapewnić dokładność lokalizacji rTMS bez nawigacji, operator musi wyrównać skalę na linijce celowniczej z punktami orientacyjnymi lewego i prawego ucha, nasionem i wejściem. Skala powinna być mocno dociśnięta do powierzchni skóry głowy, aby zminimalizować błędy pomiaru spowodowane grubością włosów. Proces ten ma kluczowe znaczenie dla poprawy dokładności lokalizacji i zapewnienia precyzyjnego ukierunkowania na miejsce stymulacji.

Ulepszenia metody eksperymentalnej i potencjalne problemy techniczne
Ponieważ metoda ta jest zaawansowaną wersją wcześniej opracowanej techniki¹¹, do tej pory nie zidentyfikowano żadnych obszarów wymagających poprawy. Jeśli chodzi o potencjalne problemy techniczne, indywidualne różnice w kształcie czaszki mogą skutkować mniej widocznymi wypukłościami potylicznymi u niektórych uczestników, co może prowadzić do błędów lokalizacyjnych. W takich przypadkach wypukłość potyliczna może zostać pominięta, a inne punkty orientacyjne (takie jak znaczniki lewego i prawego ucha oraz nasiona) mogą być wykorzystane do lokalizacji bez uszczerbku dla dokładności, ponieważ redundancja została już uwzględniona w fazie rozwoju.

Ograniczenia metody rTMS bez nawigacji
Główną różnicą w porównaniu z nawigowanym rTMS jest brak możliwości monitorowania względnej odległości cewki i kierunku do celu stymulacji w czasie rzeczywistym. Jednak nawet w przypadku nawigacji rTMS monitorowanie w czasie rzeczywistym nadal wymaga od doświadczonych operatorów ręcznych regulacji.

Znaczenie metody doświadczalnej w stosunku do istniejących metod
W porównaniu ze sprzętem nawigacyjnym, nasza metoda nie wymaga długotrwałego pozycjonowania ani kalibracji sprzętu. Zamiast tego użytkownicy po prostu wprowadzają dane MRI do skryptu kodu, a następnie obliczają odpowiednie odległości za pomocą kodu, po czym pozycjonowanie jest szybko zakończone za pomocą narzędzia pomiarowego. Z naszego doświadczenia wynika, że ta metoda pozwala zaoszczędzić co najmniej 15 minut w porównaniu ze złożonymi procedurami związanymi z nawigacją. Sprzęt nawigacyjny zazwyczaj wymaga drogiego sprzętu i specjalistycznego szkolenia, podczas gdy nasza metoda wymaga jedynie obrazów MRI i standardowych obliczeń, aby uzyskać szybką, wygodną i precyzyjną lokalizację, co znacznie zmniejsza zarówno koszty początkowe, jak i złożoność operacyjną.

Jeśli chodzi o koszty, nasze narzędzie pomiarowe uzyskało patent na wynalazek (ZL202411874788.9)¹²., co pomaga chronić własność intelektualną, ale nie zwiększa znacząco kosztów produkcji. Modelowanie 3D jest obecnie w toku, a wkrótce będziemy mogli wydrukować narzędzie 3D dla naszych współpracowników klinicznych. Kwestie kosztowe były uwzględniane w fazie projektowania od samego początku. Dla osób niebędących współpracownikami, które chcą kupić narzędzie, cena wynosi tylko 500 CNY (około 70 USD), co pozostaje przystępne pomimo ochrony patentowej.

Znaczenie i potencjalne zastosowania metody w poszczególnych dziedzinach badawczych
W ostatnich latach interwencja i leczenie rTMS zyskują coraz większą popularność zarówno w dziedzinach badawczych, jak i klinicznych. Podobnie jak w przypadku wszystkich technik terapeutycznych, rozwój zmierza w kierunku precyzyjnych, zindywidualizowanych terapii ukierunkowanych na określone funkcje. Jednak systemy i sprzęt nawigacyjny są drogie, a większość szpitali w Chinach nie ma obecnie dostępu do takich urządzeń. Metoda ta rozwiązuje problem zindywidualizowanego, ukierunkowanego rTMS specyficznego dla funkcji bez konieczności nawigacji. Rzutuje współrzędne docelowe kory mózgowej na skórę głowy i używa narzędzia do oznaczania współrzędnych na powierzchni skóry głowy. Metoda celowania korowego oparta na fMRI zastosowana w tym podejściu jest identyczna z docelowymi współrzędnymi fMRI stosowanymi przez systemy i urządzenia nawigacyjne na całym świecie. Chociaż nie może monitorować względnej odległości i kierunku w czasie rzeczywistym między cewką a celem stymulacji, nadal oferuje przewagę nad obecnymi klinicznymi metodami "ślepego celowania" (takimi jak użycie anatomicznych punktów orientacyjnych na powierzchni skóry lub wybór punktu zapalnego motoryki ręki). Metoda ta służy jako podejście przejściowe między precyzyjną nawigacją w czasie rzeczywistym a "ślepym celowaniem". W przypadku instytucji klinicznych nieposiadających systemów nawigacyjnych i sprzętu może rozwiązać praktyczne problemy kliniczne. Metoda ta znacząco przyczyni się do rozwoju precyzyjnego leczenia TMS pod kontrolą fMRI, prowadząc do odkrycia skuteczniejszych celów stymulacji i poprawy skuteczności leczenia różnych zaburzeń neurologicznych i psychiatrycznych.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
System neuronawigacji Brainsight	Rogue Research Inc.
Zestaw narzędzi DPABI_V7.0	DeepBrain		do analizy danych RS-fMRI i zadaniowej analizy danych fMRI
Magstim Rapid2	The MAGSTIM Company Limited	3012-00
SPM12 (7771)	Wellcome Centre for Human Neuroimaging		do RS-fMRI i zadaniowej analizy danych fMRI
2-kanałowe urządzenie do akwizycji elektromiografii Brainsight	Rogue Research Inc.

KITBSF0104NTBX001001