15 listopada 2024
Ten protokół opisuje metodę umieszczania elektrod sterowanych neuronami do ogniskowej, przezczaszkowej stymulacji prądem stałym (tDCS) podawanej podczas funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI).
Opisujemy nową metodę umieszczania elektrod sterowanych neuronami dla ogniskowego tDCS, które uwzględniają anatomię głowy indywidualnego uczestnika. Chcemy zrozumieć, czy umieszczanie elektrod tDCS za pomocą neuronów skutkuje lepszą dokładnością umieszczania w porównaniu z tradycyjnymi metodami umieszczania i czy ta doskonała dokładność poprawia behawioralny i neuronalny efekt stymulacji. Jednym z największych wyzwań w eksperymencie tDCS jest zapewnienie dokładnego umieszczenia elektrod na skórze głowy każdego uczestnika badania w taki sposób, aby dostarczanie prądu było najbardziej efektywne.
Dlatego badacze muszą zapewnić dokładne rozmieszczenie elektrod i zweryfikować potencjalne przemieszczenie. podczas fMRI. Po pierwsze, nasze podejście optymalizuje położenie elektrod na skórze głowy przy użyciu realistycznych symulacji przepływu prądu dla każdego uczestnika badania.
Po drugie, używamy umieszczania elektrod sterowanych przez neurony, aby upewnić się, że elektrody są przymocowane w indywidualnie zoptymalizowanych pozycjach na skórze głowy. I po trzecie, potwierdzamy dokładność umieszczenia elektrod w stosunku do zamierzonych obszarów docelowych przed i po każdej sesji fMRI. Poprawiając dokładność umieszczania optymalizujących pozycji elektrod na skórze głowy, zapewniamy, że efekt tDCS jest maksymalizowany dla każdego uczestnika badania.
W przyszłości planujemy wykorzystać nowsze nawigowane tDCS do systematycznego badania nowszych mechanizmów, za pomocą których stymulacja poprawia funkcjonowanie ludzkiego mózgu. Badania te dostarczą fundamentalnych informacji na temat tego, w jaki sposób tDCS moduluje funkcje mózgu zarówno w zdrowiu, jak i chorobie. Pomoże to również zmaksymalizować efekty tDCS w oparciu o charakterystykę uczestników i pacjentów w przyszłości.
Aby rozpocząć, zbierz cały wymagany sprzęt do neuronawigacji. Otwórz oprogramowanie do neuronawigacji i wybierz Nowy pusty projekt. Załaduj obraz ważony T1 uczestnika i zapisz projekt.
Aby rozpocząć rekonstrukcję głowy 3D, przejdź do sekcji rekonstrukcji i kliknij Nowa rekonstrukcja i skórka, aby otworzyć nowe okno, a następnie naciśnij Obliczaj skórę. Skonfiguruj pięć punktów orientacyjnych, w tym nasiona, lewe i prawe nozdrza oraz lewe i prawe doły przeduszne. Skonfiguruj pozycje elektrod dla prawej grzbietowej bocznej kory przedczołowej ze współrzędnymi X, Y i Z anody w sekcji docelowej.
Kliknij dodaj nową i nazwij anodę. Ustaw uczestnika wygodnie na krześle przodem do kamery śledzącej i poinstruuj go, aby założył pożeranie z dołączonym urządzeniem do śledzenia obiektu. Następnie przejdź do zakładki sesje i z nowego menu rozwijanego wybierz sesję online.
Wybierz kartę Polaris, aby sprawdzić widoczność śledzenia obiektu i wskaźnika w polu widzenia aparatu, upewniając się, że oba urządzenia są rozpoznawane. Wybierz sekcję rejestracji, aby zarejestrować się w pięciu predefiniowanych punktach orientacyjnych. Ustaw wskaźnik prostopadle do czaszki tak, aby czujniki były skierowane w stronę aparatu, a następnie naciśnij pedał nożny, aby potwierdzić pozycję.
Przejdź do sekcji walidacji i zatwierdź punkty orientacyjne po umieszczeniu wskaźnika na zarejestrowanych punktach orientacyjnych. Następnie w panelu punktów orientacyjnych zagęszczenia kliknij przycisk dodawania dla każdej pozycji. Umieść wskaźnik na powierzchni głowy i naciśnij pedał, aby zarejestrować dodatkowe punkty orientacyjne.
Następnie wybierz sekcję wykonania i przesuń wskaźnik do przybliżonego położenia grzbietowej bocznej kory przedczołowej. Zaznacz pozycje elektrod, gdy wskaźnik zrówna się ze środkiem zielonego krzyżyka na ekranie. Odsuń włosy uczestnika od odpowiedniego obszaru skóry głowy i zaznacz pozycje elektrod za pomocą markera do skóry lub długopisu.
Nałóż niewielką ilość miejscowego kremu znieczulającego na zaznaczone miejsca, aby zmniejszyć odczucia fizyczne podczas tDCS fMRI. Włóż wtyczkę zasilania do tej samej listwy zasilającej co skaner, aby korzystać z wielokanałowego stymulatora prądu stałego w trybie normalnym. Następnie podłącz go do skrzynki zewnętrznej za pomocą i adaptera skrzynki zewnętrznej.
Następnie nałóż równomiernie jeden milimetr żelu przewodzącego na powierzchnię wszystkich elektrod w konfiguracji ogniskowej tDCS i użyj pomocy do napełniania elektrod, aby ujednolicić grubość żelu. Włącz stymulator prądu stałego, a następnie komputer panelowy. Kliknij dwukrotnie ikonę MC stymulatora prądu stałego i wybierz odpowiednią konfigurację sekwencji, a następnie skalibruj stymulator, aby przeprowadzić kalibrację bez podłączonego uczestnika. Ustaw uczestnika wygodnie w pobliżu stymulatora prądu stałego na zewnątrz pomieszczenia skanera MRI i zmierz najszerszą część głowy uczestnika, czyli obwód od czoła do kości potylicznej.
Następnie umieść elektrody, przekładkę, aby zapewnić równe odstępy katod wokół środkowej anody i przymocuj je do zaznaczonych pozycji skóry głowy. Użyj czepka EEG o optymalnym rozmiarze bez plastikowych wkładek, aby zabezpieczyć elektrody. Podłącz skrzynkę zewnętrzną do skrzynki wewnętrznej stymulatora prądu stałego, aby przeprowadzić kontrolę impedancji.
Aby przeprowadzić kontrolę impedancji, naciśnij odpowiedni przycisk na interfejsie stymulatora. Następnie odłącz pudełko wewnętrzne od pudełka zewnętrznego i włóż pudełko zewnętrzne do falowodu skanera. Następnie poproś uczestnika, aby usiadł na stole do badania MRI i ponownie połączył pudełko wewnętrzne z zewnętrznym pudełkiem włożonym w falowód.
Następnie ułóż uczestnika na plecach na stole do badania MRI z głową w otwartej cewce głowy. Przeprowadź elektrod przez dolną część cewki głowicy przed zamocowaniem górnej części i zablokowaniem jej na miejscu. Umieść wewnętrzne pudełko obok uczestnika na stole do badania MRI i przenieś je do otworu skanera.
Opuść pomieszczenie skanera i poinformuj uczestnika o nadchodzących zabiegach za pośrednictwem interfejsu komunikacyjnego. Na panelu skanera na komputerze przejdź do menu głównego, a następnie do badania i rejestracji pacjenta. Po wypełnieniu wymaganych pól należy przejść do wyboru programu i wybrać planowany protokół obrazowania.
Kliknij orientację pacjenta i wybierz pozycję Głowa do przodu, leżąc na wznak. Z menu rozwijanych obszaru badania i lateralizacji wybierz mózg i kliknij badanie, aby kontynuować. Poinformuj uczestnika, że zostaną przeprowadzone dwa 10-minutowe skany fMRI w stanie spoczynku i poinstruuj go, aby utrzymywał wzrok na krzyżu fiksacyjnym przez cały okres skanowania.
Aby uruchomić tDCS, naciśnij przycisk inicjacji stymulacji na komputerze panelowym. Kliknij przycisk Zwolnij spust startowy, aby rozpocząć stymulację z 10-sekundowym przyspieszeniem przed rozpoczęciem funkcjonalnych sekwencji obrazowania. Po skanach funkcjonalnych i okresie stymulacji należy wykonać drugi skan PET, gdy elektrody są nadal przymocowane do głowy uczestnika. Po zakończeniu sesji rezonansu magnetycznego odłącz elektrod od skrzynki zewnętrznej i wyłącz stymulator prądu stałego.
Wyjmij uczestnika z otworu skanera i zdejmij nasadkę oraz elektrody z głowy uczestnika. Stwierdzono znaczne odchylenie między zamierzonym a rzeczywistym położeniem elektrod zarówno przed fMRI, jak i po fMRI. Przemieszczenie elektrody między sesjami przed i po sesjach FMRI było minimalne, ze średnim dryftem wynoszącym minus 0,08 milimetra.
Nie stwierdzono istotnych różnic w dokładności umieszczania elektrod specyficznych dla regionu między prawą potyliczną korą skroniową, lewą skroniową korą ciemieniową i prawą grzbietową boczną korą przedczołową w zamierzonych rzeczywistych etapach pozycjonowania elektrod przed fMRI i po fMRI.
To badanie przedstawia metodę neuronawigowanego umieszczania elektrod dla skupionej transkranialnej stymulacji prądem stałym (tDCS) podczas funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI). Celem jest poprawa dokładności umieszczania elektrod, a w konsekwencji poprawa efektów behawioralnych i nerwowych stymulacji.
Accurate, individualized electrode placement for focalized tDCS during fMRI addresses a critical challenge in neurostimulation research and early CNS drug discovery. Neuronavigation-guided targeting enhances predictive confidence in mechanistic studies by ensuring precise current delivery to intended brain regions. This capability supports robust target validation and de-risks translational neuroscience portfolios by minimizing variability in neuromodulation experiments.
This neuronavigated tDCS-fMRI protocol integrates into the discovery-to-preclinical continuum for CNS drug development, supporting both mechanistic and translational research inflection points.