Określanie lokalizacji stymulacji za pomocą digitizera 3D z przezczaszkową stymulacją prądem stałym o wysokiej rozdzielczości
December 20th, 2019
Prezentowany tutaj jest protokół pozwalający na osiągnięcie większej dokładności w określaniu lokalizacji stymulacji, łączący digitizer 3D z przezczaszkową stymulacją prądem stałym o wysokiej rozdzielczości.
Metoda ta wykorzystuje system 10-10 w celu przezwyciężenia ograniczeń związanych z przezczaszkowym umieszczaniem elektrod stymulacyjnych prądem stałym, poprawiając dokładność i odtwarzalność metody. Głównymi zaletami tej techniki są jej niski koszt, prosta aplikacja i przenośność. Metoda ta nadaje się do stosowania z innymi technikami, na przykład funkcjonalną spektroskopią w bliskiej podczerwieni, w celu zweryfikowania lokalizacji określonych obszarów mózgu będących przedmiotem zainteresowania.
Ta technika jest bardzo prosta, jeśli jesteś zaznajomiony z proporcjonalnymi wymaganiami systemu 10-10. Procedurę zademonstruje Chenyu Lv, doktorant. Aby przygotować nasadkę do przytrzymywania elektrody, umieść czepek pływacki na modelu głowy i zmierz odległość między nasionem a inionem.
Aby zlokalizować wierzchołek, użyj markera skóry, aby zaznaczyć punkt środkowy odległości między nasionem a wgłębieniem i zmierz odległość między punktami przedusznymi. Zaznacz punkt środkowy punktów przedusznych. Punkt, w którym przecinają się oba punkty środkowe, jest wierzchołkiem.
Zgodnie z systemem 10-10 znajdź CP6 i P6 i zaznacz odpowiedni punkt środkowy, w którym te punkty się przecinają, zwany prawym skrzyżowaniem skroniowo-ciemieniowym na skórze głowy. Następnie dostosuj promień czterech elektrod powrotnych w zależności od obiektywów. I zaznacz położenie elektrody środkowej i powrotnej na nasadce.
Aby uzyskać pomiar digitizera 3D, należy użyć skanera do metalu, aby potwierdzić, że środowisko do digitalizacji 3D jest wolne od metalu. Umieść czepek pływacki na głowie fotografowanej osoby i użyj znaczników odniesienia na czepku, aby wyrównać czepek z międzynarodowym systemem 10-10 w celu lokalizacji skóry głowy. Gdy nasadka jest na swoim miejscu, użyj interfejsu USB, aby podłączyć digitizer 3D do komputera i upewnij się, że oprogramowanie digitizera jest dostępne i gotowe.
Umieść źródło przed obiektem i przymocuj elastyczną linkę czujnika wokół głowy fotografowanej osoby. W oprogramowaniu digitizera upewnij się, że system digitizera 3D komunikuje się z oprogramowaniem i użyj rysika oraz linijki o długości 10 centymetrów, aby nagrać podziałkę zerową i dziesiętną, aby potwierdzić dokładność rysika. W oprogramowaniu wyświetl odległość między dwoma punktami nagrywania.
Następnie zbierz dane o położeniu punktów odniesienia, elektrod środkowych i czterech elektrod powrotnych. Aby spełnić wymagania funkcjonalnych eksperymentów spektroskopii w bliskiej podczerwieni, wybierz i zapisz opcje detektora nadajnika i kanału. Aby rozpocząć stymulację, zainstaluj w pełni naładowane baterie w urządzeniu i podłącz konwencjonalne przezczaszkowe urządzenie do stymulacji prądem stałym oraz adapter do stymulacji cztery na jeden.
Podłącz pięciu elektrod pierścieniowych wyśrodkowanych na chlorku srebra i srebra do pasujących odbiorników na wyjściowym adaptera cztery na jeden. I zmierz głowę obiektu. Umieść plastikową nasadkę urządzenia na głowie fotografowanej osoby i umieść w niej pięć plastikowych osłonek o wysokiej rozdzielczości.
Zlokalizuj wierzchołek FPZ i OZ obiektu i dostosuj odniesienie na nasadce, aby wyrównać się z międzynarodowym systemem 10-10 dla lokalizacji skóry głowy. Gdy nasadka jest na swoim miejscu, użyj digitizera 3D, aby zebrać dane o położeniu stymulowanych obszarów mózgu. Następnie za pomocą końcówki plastikowej strzykawki ostrożnie oddzielić włosy przez otwór w plastikowej obudowie, aż skóra głowy zostanie odsłonięta, a odsłoniętą skórę przykryj żelem przewodzącym prąd elektryczny.
W urządzeniu włącz adapter stymulacji wielokanałowej cztery na jeden i ustaw wartość jakości. Upewnij się, że ustawienie domyślne jest ustawione na skanowanie, a następnie naciśnij przycisk wyboru trybu. Przełącz się ze skanowania, aby przejść i naciśnij przycisk polaryzacji, aby wybrać środkową anodę lub katodę.
Dostosuj ustawienia konwencjonalnego urządzenia do przezczaszkowej stymulacji prądem stałym, aby uwzględnić czas trwania bodźca, intensywność i ustawienie stanu pozorowanego, a następnie naciśnij dźwignię relaksacyjną, aby przełączyć się na pełny prąd. Gdy wszystko zostanie ustawione, naciśnij przycisk start, aby rozpocząć stymulację. Intensywność prądu stałego będzie rosła, aż do osiągnięcia prądu docelowego, a timer pokaże pozostały czas.
Pod koniec stymulacji powoli przekręć dźwignię, aby wyregulować prąd do zera przed wyłączeniem zasilania. Otwórz plastikową nasadkę, wyjmij srebrne lub spiekane elektrody pierścieniowe z chlorku srebra z obudowy i zdejmij czepek pływacki. Następnie wyczyść instrumenty i zapewnij badanemu materiały, którymi będzie mógł oczyścić włosy.
Korzystając z autonomicznej funkcji rejestracji statystycznego mapowania parametrycznego spektroskopii bliskiej podczerwieni, funkcja rejestracji przestrzennej generuje współrzędne MNI. Aby zmniejszyć błędy pomiarowe, obliczono średnią wartość trzech punktów danych z końcowych współrzędnych MNI pięciu elektrod. W obszarach Broadmana uzyskuje się etykietę anatomiczną i jej numer.
Liczba po każdym wierszu wskazuje procent nakładania się. W anatomicznych etykietach automatycznych uzyskuje się etykietę anatomiczną i procent nakładania się. W przypadku obszarów Broadmana i anatomicznych etykiet automatycznych wartość ta reprezentuje procent nakładania się z korą mózgową.
Ważne jest, aby upewnić się, że ani źródło, ani czujnik nie poruszają się podczas pomiaru digitizera 3D. Procedura ta może być stosowana do lokalizacji myśli lub do wszelkich innych lokalizacji potrzebnych do badania funkcji mózgu. Technika ta może być również stosowana w spersonalizowanej stymulacji mózgu w celu precyzyjnego pozycjonowania.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
W tym artykule przedstawiono protokół łączący skaner 3D z wysokiej rozdzielczości stymulacją prądem stałym przezczaszkowym (tDCS) w celu zwiększenia dokładności określania lokalizacji stymulacji. Metoda integruje system rozmieszczenia elektrod 10-10, poprawiając powtarzalność i przydatność do stosowania z innymi technikami, takimi jak spektroskopia w podczerwieni bliskiej (fNIRS).
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Neuroscience
- Neurosymulacja
- Elektrofizjologia
Tło
- Stymulacja prądem stałym przezczaszkowym (tDCS) często jest ograniczona dokładnością rozmieszczenia elektrod.
- tDCS o wysokiej rozdzielczości może poprawić przestrzenne ukierunkowanie technik stymulacji mózgu.
- Skanowanie 3D umożliwia precyzyjne zlokalizowanie elektrod w oparciu o ustandaryzowany system.
- Metoda ta może dostarczać komplementarne dane poprzez integrację z technikami obrazowania funkcjonalnego.
Cel badania
- Zwiększenie dokładności i powtarzalności rozmieszczenia elektrod w tDCS.
- Zapewnienie niedrogiego, przenośnego rozwiązania do lokalizacji stymulacji mózgu.
- Umożliwienie precyzyjnej stymulacji mózgu do celów badawczych i terapeutycznych.
Wykorzystane metody
- Badanie wykorzystuje system skanowania 3D w połączeniu z tDCS w celu precyzyjnego określenia lokalizacji stymulacji.
- Wykorzystuje system rozmieszczenia elektrod 10-10 do identyfikacji specyficznych obszarów mózgu.
- Etapy obejmują przygotowanie czapki elektrodowej, lokalizację anatomicznych punktów orientacyjnych i rejestrowanie danych pozycyjnych.
- Stymulacja jest inicjowana przy użyciu skonfigurowanego urządzenia tDCS po potwierdzeniu dokładności rozmieszczenia elektrod.
Główne wyniki
- Protokół umożliwia precyzyjną identyfikację lokalizacji stymulacji, poprawiając dokładność interwencji.
- Wykorzystanie skanowania 3D minimalizuje błędy pomiarowe związane z rozmieszczeniem elektrod.
- Wyniki pokazują zwiększoną rozdzielczość przestrzenną dla zastosowań stymulacji mózgu.
- Metoda jest weryfikowana poprzez systematyczne nakładające się pomiary z obszarami kory mózgowej.
Wnioski
- Badanie to demonstruje nowatorskie podejście do poprawy skuteczności tDCS poprzez zwiększenie dokładności rozmieszczenia elektrod.
- Integracja z technologiami skanowania 3D przyczynia się do opracowania strategii spersonalizowanej stymulacji mózgu.
- Ogólnie rzecz biorąc, metoda ta ma istotne implikacje dla zrozumienia i manipulowania mechanizmami neuronalnymi w badaniach.
Często zadawane pytania
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.
