Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Нейронавигированная фокальная транскраниальная стимуляция постоянным током во время функциональной магнитно-резонансной томографии

2.6K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/67155

⸱

15 ноября 2024 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Этот протокол описывает метод нейронавигационной установки электродов для фокальной транскраниальной стимуляции постоянным током (tDCS), проводимой во время функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ).

Аннотация

Транскраниальная стимуляция постоянным током (tDCS) — это неинвазивный метод стимуляции мозга, который позволяет модулировать возбудимость и пластичность человеческого мозга. В фокусных установках tDCS используются специальные электроды для ограничения потока тока в ограниченных областях мозга. Тем не менее, эффективность флокализированной tDCS может быть поставлена под угрозу из-за ошибок позиционирования электродов на коже головы, что приводит к значительному снижению текущей дозы, достигающей целевых областей мозга для tDCS. Размещение электродов с помощью нейронавигации, основанной на анатомии головы и мозга человека, полученной по данным структурной магнитно-резонансной томографии (МРТ), может быть подходящим для повышения точности позиционирования.

Этот протокол описывает метод установки электродов с нейронавигацией для фокальной установки tDCS, которая подходит для одновременного введения во время функциональной МРТ (фМРТ). Мы также количественно оцениваем точность размещения электродов и исследуем дрейф электродов в параллельном эксперименте tDCS-фМРТ. Критические шаги включают оптимизацию положения электродов на основе текущего моделирования, которое учитывает анатомию головы и мозга человека, реализацию размещения электродов с нейронной навигацией на коже головы и введение оптимизированной и фокальной tDCS во время фМРТ.

Региональная точность размещения электродов количественно определяется с использованием евклидовой нормы (норма L2) для определения отклонений фактического положения электродов от предполагаемого во время одновременного исследования tDCS-фМРТ. Любое потенциальное смещение электродов (дрейф) во время эксперимента исследуется путем сравнения фактических положений электродов до и после регистрации фМРТ. Кроме того, мы напрямую сравниваем точность размещения нейронавигационной tDCS с траншей, достигнутой при подходе к нацеливанию на основе скальпа (система электроэнцефалографии (ЭЭГ) 10-20). Эти анализы демонстрируют превосходную точность размещения электродов для нейронавигации по сравнению с размещением электродов на скальпе и незначительный дрейф электродов в течение 20-минутного периода сканирования.

Введение

Транскраниальная стимуляция постоянным током (tDCS) — это неинвазивный метод стимуляции мозга, который позволяет модифицировать когнитивные и физиологические функции мозга в экспериментальном и клиническом контекстах 1,2,3. При остром введении tDCS могут наблюдаться преходящие изменения возбудимости нейронов, при этом побочные эффекты продолжаются от нескольких минут до нескольких часов после стимуляции 4,5. Приложенный ток не индуцирует потенциалы действия, а скорее временно смещает мембранный потенциал покоя нейрона в сторону де- или гиперполяризации, что приводит к увеличению или уменьшению возбудимости нейронов на макроскопическом уровне при использовании стандартных протоколов 4,5,6. Кроме того, что касается эффектов синаптической пластичности tDCS, исследования на животных и людях показали, что tDCS индуцирует долгосрочные потенцирующие и депрессивные процессы (LTP и LTD) 4,5.

В двигательной системе модуляция моторных вызванных потенциалов (МЭП) позволяет напрямую оценить нейрофизиологические эффекты тДКС на локальную возбудимость корыголовного мозга 7. Однако этот подход не может количественно оценить нейронные эффекты tDCS на когнитивные функции более высокого порядка, поддерживаемые крупномасштабными функциональными сетями мозга8. Воздействие на сети мозга может быть исследовано путем сочетания tDCS с современными методами функциональной визуализации 9,10. Среди них функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) стала наиболее часто используемым подходом, поскольку она обеспечивает превосходное пространственное и достаточное временное разрешение для выявления нейронных механизмов, с помощью которых tDCS влияет на локальную активность мозга в месте стимуляции и крупномасштабных нейронных сетях 11,12,13,14.

До сих пор в комбинированных исследованиях фМРТ-tDCS в основном использовались так называемые традиционные tDCS-установки, в которых используются относительно большие резиновые электроды размером от 25 до 35 см2 (5 x 5 см2 и 5 x 7 см2), вставленные в пропитанные солевым раствором карманы губки15,16. Эти установки проецируют ток между двумя электродами, которые обычно прикреплены к (а) целевой области мозга для tDCS и (б) обратному электроду над нецелевыми областями мозга или экстракраниальными областями (например, плечом). Это приводит к широкому течению тока через мозг, затрагивая области, отличные от целевой области, тем самым усложняя причинно-следственные предположения и интерпретации о нейронном происхожденииэффектов tDCS.

Более точное пространственное нацеливание может быть достигнуто с помощью фокусной tDCS18. В этих установках используются массивы меньших электродов, расположенных в непосредственной близости друг от друга, или с помощью кольцеобразного катода, размещенного вокруг центрального анода для ограничения течения тока в целевую область18,19. Компьютерное моделирование протекания электрического тока позволяет предположить, что фокальная tDCS может привести к более высокой пространственной точности течения тока в целевую область по сравнению с обычными монтажами20. Более того, поведенческие исследования продемонстрировали региональную и специфичную для задачи поведенческую модуляцию с использованием фокусных установок 19,21,22. Тем не менее, только в нескольких исследованиях использовалась фокализованная tDCS во время фМРТ. Эти исследования смогли установить осуществимость этого подхода и предоставили первые доказательства регион-специфичной нейронной модуляции 19,23.

Тем не менее, из-за регионально точной подачи тока, фокальные установки tDCS могут быть более чувствительны к ошибкам позиционирования электродов на коже головы, чем обычные монтажи. Например, Seo et al. продемонстрировали, что ошибки позиционирования в 5 мм в очаговой настройке моторной коры снижают пиковую соматическую поляризацию в ручке кисти до 87%24. Кроме того, недавнее исследование вычислительного моделирования показало, что смещение электродов из заданных положений для фокальных по сравнению с обычными установками привело к значительному снижению дозы тока в целевых областях для tDCS, в диапазоне от 26% до 43%25. Таким образом, был сделан вывод о том, что будущие исследования должны регулярно включать соответствующие методы улучшения позиционирования электродов и верификации позиционирования электродов до и после фМРТ5.

В настоящем исследовании мы описываем метод нейронавигированного позиционирования электродов для новой фМРТ-совместимой фМРТ-совместимой фокальной установки 3 x 1 tDCS (т.е. трех отдельных катодов, расположенных по кругу вокруг одного центрального анода), который в настоящее время используется в совместном исследовательском консорциуме, финансируемом Немецким научным обществом (DFG Research Unit 5429, https://www.memoslap.de). Консорциум исследует поведенческие и нейронные эффекты фокальной tDCS на обучение и память, а также предикторы реакции на стимуляцию в четырех функциональных областях (т.е. визуально-пространственных, языковых, моторных и исполнительных функциях). Структурные Т1- и Т2-взвешенные данные МРТ участников исследования были получены во время исходного сканирования. Эти данные используются для индивидуализированного моделирования течения тока26 для определения положения электродов на скальпе, которое максимизирует протекание тока к целевой области у отдельных участников исследования. В качестве примера этот протокол будет описывать нейронавигированное нацеливание на индивидуально определенные положения электродов, центрированные над правой дорсолатеральной префронтальной корой (rDLPFC) у одного участника.

Раздел репрезентативных результатов основан на данных структурной визуализации, полученных до и после одновременной tDCS-фМРТ в трех подпроектах исследовательского подразделения. Эти исследования были нацелены на правую затылочно-височную кору (rOTC), левую височно-теменную кору (lTPC) и rDLPFC. Данные были получены на кафедре неврологии Медицинского университета Грайфсвальда. Используя эти данные, мы стремились достичь двух основных целей: (1) количественно оценить пространственную точность размещения электродов с нейронавигацией путем сравнения «предполагаемых» и эмпирически определенных «фактических» положений электродов25, и (2) исследовать степень смещения электродов в течение сеансов фМРТ (т.е. дрейф электродов). Эти факторы имеют решающее значение для повышения точности и надежности эффектов tDCS в одновременных исследованиях tDCS-фМРТ27. Кроме того, точность нацеливания нейронавигированной tDCS сравнивается с точностью нацеливания на основе скальпового подхода с использованием данных предыдущего исследования tDCS-фМРТ нашей группы25.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Все экспериментальные процедуры, представленные в настоящем протоколе, были рассмотрены и одобрены комитетом по этике Университета медицины Грайфсвальда. Все участники дали информированное согласие до включения в исследование и дали разрешение на анонимную публикацию своих данных.

1. Скрининг противопоказаний и общие соображения

  1. Перед включением в исследование тщательно проведите скрининг участников на наличие противопоказаний МРТ28 и tDCS29 (например, кардиостимуляторы, клаустрофобия, судороги в анамнезе, мигрень, кожные заболевания кожи головы [например, псориаз/экзема]) с использованием соответствующих анкет.
  2. Разъясните участникам цели исследования и все запланированные процедуры и получите письменное информированное согласие в соответствии с местными требованиями.
  3. Следуйте общим процедурам для улучшения отчетности и воспроизводимости параллельных экспериментов tDCS-фМРТ и тестирования на потенциальные артефакты визуализации, вызванные текущим оборудованием и/или оборудованием tDCS, в соответствии с рекомендациями контрольного перечня ContES30.
  4. Используйте соответствующие методы для оценки слепоты участников и исследователя31,32 и потенциальных побочных эффектов tDCS29.

2. Базовое МРТ сканирование и индивидуальное моделирование тока

  1. После завершения проверок безопасности (т.е. изъятия у участника металлических предметов, таких как монеты, ожерелья, пирсинг и т.д.) проведите участника в комнату сканера и удобно расположите его/ее на столе для МРТ-исследования. Прикрепите верхнюю часть катушки для головки и переместите участника внутрь отверстия МРТ-сканера в соответствии со спецификациями производителя.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Мы использовали 3Т-сканер, оснащенный 64-канальной катушкой головки/шейной прокладки.
  2. Зарегистрируйте нового участника с помощью интерфейса сканера, нажав Главное меню | Экзамен | Регистрация пациента и заполнение обязательных полей. Перейдите в раздел «Выбор программы » и соберите и выберите планируемый протокол визуализации. Нажмите на «Ориентация пациента » и выберите «Сначала голова», вариант положения лежа на спине . В раскрывающемся меню « Область исследования и латеральность » выберите «Мозг », а затем нажмите «Обследование », чтобы перейти в меню обследования.
  3. Следуйте инструкциям на экране предопределенного протокола сканирования (например, регулировка поля зрения и т. д.), чтобы получить Т1- и Т2-взвешенные последовательности МРТ. При необходимости взаимодействуйте с участником через систему связи со стажером сканера.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для индивидуализированного текущего моделирования требуются Т1- и Т2-взвешенные изображения. Т1-взвешенное изображение также необходимо для нейронавигации, чтобы определить запланированное и оптимизированное положение электродов на коже головы участников.
  4. Используйте сценарий в https://github.com/memoslap/Greifswald и данные структурной визуализации, полученные во время базового МРТ-сканирования, для проведения индивидуального моделирования тока (например, с помощью SimNIBS26). Следуйте инструкциям в файле Readme.md, чтобы применить метод конечных элементов и индивидуализированные тетраэдральные головные сетки, созданные на основе структурных T1- и T2-взвешенных изображений участника (http://simnibs.org)26,33,34 CHARM tool 35 для реконструкции головы для определения пикового электрического поля, чтобы определить оптимальные целевые положения для размещения tDCS-электродов над rDLPFC. На рисунке 1 приведен пример результата процедуры, используемой для данного протокола.
    Альтернативные методы идентификации координат кожи головы для нейронавигированного нацеливания возможны и зависят от конкретных процедур исследования.

3. Нейронавигация

  1. Подготовительные этапы
    1. Включите компьютер управления «Нейронавигация» и систему слежения.
    2. Этапы сборки: Соберите все необходимое оборудование для нейронавигации (рис. 2; обзор настройки нейронавигации см. на дополнительном рисунке S1). Оборудование, показанное на рисунке 2 , состоит из (1) трекера, (2) отвертки, (3) шестигранного стержня, (4) очков и (5) указателя. Следуйте приведенным ниже инструкциям, чтобы завершить сборку.
      1. Ослабьте отверткой винт под трекером объекта.
      2. Вставьте длинную сторону шестигранного стержня в гайку, установленную на трекере предмета, и затяните винт.
      3. Ослабьте винт с левой стороны защитных очков (при этом очки расположены так, как будто вы смотрите через них).
      4. Вставьте противоположную сторону шестигранного стержня в гайку, установленную с левой стороны очков, и затяните винт очков.
        ПРИМЕЧАНИЕ: У вас есть возможность установить предметный трекер на левую или правую сторону очков. Этот выбор зависит от целевой области относительно положения камеры нейронавигационной системы (которая должна распознавать указатель и трекер объекта) по отношению к положению участника. В настоящем примере трекер прикреплен с левой стороны, так что человек, осуществляющий слежение, не стоит между трекером и камерой.
    3. Перенесите структурный Т1-взвешенный (например, в виде файла Инициативы по нейровизуализационным информационным технологиям (NIfTI)) соответствующего участника, полученный на шаге 2.3. к управляющему компьютеру нейронавигационной системы.
    4. Откройте программу для нейронавигации и выберите «Новый пустой проект».
    5. Загрузите Т1-взвешенное изображение участника и сохраните проект, выбрав «Сохранить проект».
    6. Чтобы начать 3D-реконструкцию головы, перейдите в раздел « Реконструкции» в главном окне приложения. Нажмите на Создать... | Скин, который откроет еще одно окно. Восстановите кожу, нажав соответствующую кнопку. Отрегулируйте порог кожи/воздуха, если при реконструкции головы наблюдаются искажения.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется проверить, правильно ли реконструирована вся голова. Хорошая реконструкция носа и ушей важна для обнаружения ориентиров, описанных на следующем этапе.
    7. Настройте пять ориентиров: насьон, левая и правая ноздри, а также левая и правая преаурикулярные ямки (LPA и RPA). Они необходимы для регистрации участника в разделе «Достопримечательности » в главном окне приложения (подробнее см. дополнительный рисунок S2).
    8. Настройте положение электрода для rDLPFC в разделе «Цели », вставив координаты x, y и z положения анода (предоставленные индивидуальным моделированием течения тока, описанным в шаге 2.4), нажмите « Добавить новый» и введите Anode в качестве имени положения электрода. Повторите процедуру для трех обратных электродов.
  2. Нейронавигационная идентификация положения электродов
    1. Расположите участника удобно в кресле лицом к камере слежения. Попросите его надеть очки с прикрепленным датчиком объекта.
    2. Проинструктируйте участников не прикасаться к очкам в течение всей процедуры нейронавигации. Это имеет решающее значение для точной регистрации ориентиров и проверки положения электродов.
    3. Перейдите на вкладку «Сеансы » и в левом углу выберите «Онлайн-сеанс » в раскрывающемся меню « Новый ». Выберите вкладку Polaris и проверьте видимость трекера объекта и указателя, переместив их в поле зрения камеры. Оба устройства корректно распознаются, когда соответствующие красные крестики сменяются зелеными галочками на панели «Инструменты » (в левой части окна приложения).
    4. Выберите раздел Регистрация , чтобы зарегистрировать пять предопределенных ориентиров. Найдите соответствующий ориентир, поместив указатель перпендикулярно голове участника так, чтобы датчики были направлены на камеру. Затем нажмите на ножную педаль нейронавигационной системы, чтобы подтвердить положение. Убедитесь, что перед названием каждой достопримечательности видна зеленая галочка.
    5. Перейдите в раздел проверки и проверьте ориентиры, поместив кончик указателя на зарегистрированные ориентиры, и проверьте два индекса расстояний; Первый индекс показывает расстояние между перекрестием (виртуальным указателем) и зарегистрированным ориентиром, второй индекс показывает расстояние между перекрестием и реконструированной кожей.
      ПРИМЕЧАНИЕ: При использовании стандартных параметров нейронавигационной системы индексы ниже 5 мм указывают на достаточную точность для прохождения этапа валидации. Это приемлемо для многих экспериментальных контекстов. Однако из-за оптимизированной настройки фокуса, используемой в этом протоколе, валидация электродов принимается только в том случае, если отклонение от заданных координат составляет менее 1 мм (см. рис. 3).
    6. Наведите указатель на кожу головы участника и проверьте перекрестие восстановленной кожи головы на нейронавигационном мониторе. Если перекрестие остается на одной линии с реконструированной кожей головы, не проникая в нее и не создавая щели над ней, допустимо, хотя и не рекомендуется, пропустить следующий шаг.
    7. Выборка дополнительных точек вокруг крайних точек, включая крайние левые, крайние правые, самые верхние, самые задние и самые передние местоположения. Для этого нажмите кнопку «Добавить» на панели уточнения ориентиров для каждой позиции. Затем расположите указатель на целевой поверхности головы, следя за тем, чтобы кончик указателя мягко касался кожи головы, и нажмите на педаль, чтобы зафиксировать положение. Повторяйте этот процесс до тех пор, пока расстояние между перекрестием и реконструированной кожей не станет как можно меньше.
      Примечание: Различные нейронавигационные системы могут использовать различную терминологию для обозначения этого процесса (например, регистрация поверхности).
    8. Выберите раздел Perform и переместите указатель к приблизительному местоположению DLPFC, чтобы найти положение центрального анода (на основе координат, приведенных на рисунке 1D). Перемещая указатель, одновременно наблюдайте за экраном. Отметьте положение электродов, когда кончик указателя совпадет с центром зеленого перекрестия на экране.
    9. Уберите волосы участника от соответствующего участка кожи головы и отметьте их положение маркером/ручкой для кожи
      10. . Повторите процесс для положения трех катодов (см. рисунок 1D).
    10. Нанесите небольшое количество местного обезболивающего крема в предполагаемые положения электродов, чтобы уменьшить физические ощущения на коже головы во время tDCS-фМРТ.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что между нанесением крема и началом приема tDCS проходит не менее 20 минут.

4. tDCS-фМРТ

  1. Подготовка к одновременной tDCS-фМРТ
    1. Приготовьте фокальную 3 x 1 tDCS с многоканальным стимулятором постоянного тока (DC).
    2. Используйте многоканальный стимулятор постоянного тока36 в обычном (не аккумуляторном) режиме. Вставьте вилку питания стимулятора в тот же удлинитель, что и сканер, чтобы улучшить соотношение сигнал/шум и уменьшить артефакты изображения (см. также примечания к спецификациям производителя).
    3. Убедитесь, что все необходимые материалы, связанные с стимуляцией, доступны и чистые (рисунок 4). Обратите особое внимание на то, чтобы резиновые электроды и 3D-шаблоны не содержали пасты из предыдущих экспериментальных сеансов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В установке, используемой в этом проекте, используются специализированные электроды и фильтрующие коробки, разработанные в сотрудничестве с производителем стимулятора постоянного тока для удовлетворения конкретных требований исследовательского подразделения (см. Рисунок 4A). Тем не менее, можно использовать и стандартные компоненты, совместимые с МРТ.
      1. Используйте напечатанную на 3D-принтере (термопластичную) электродную пасту для стандартизации нанесения электродной пасты перед прикреплением электродов к коже головы (рис. 4A (9),B).
      2. Используйте напечатанную на 3D-принтере (термопластичную) спейсер для размещения электродов на коже головы и обеспечения соблюдения расстояний между анодом и катодами во время сеансов фМРТ-тДКС (рис. 4A (10),C).
        ПРИМЕЧАНИЕ: Доступ к индивидуальным 3D-шаблонам можно получить по следующей ссылке: https://github.com/memoslap/Material
    4. Чтобы настроить стимулятор постоянного тока, подключите его к внешней коробке (с помощью кабеля и адаптера внешней коробки). Подсоедините внутренний кабель коробки к внутренней и внешней коробке (см. рисунок 4).
    5. Равномерно нанесите 1 мм проводящей пасты на поверхность всех электродов установки focal-tDCS 3x1. Используйте вспомогательное средство для заполнения электродов для нормализации толщины пасты. Покройте пастой только поверхность электрода и удалите дополнительную пасту.
    6. Включите стимулятор постоянного тока и Панельный ПК (в заданном порядке). Дважды кликните по значку DC-Stimulator MC на рабочем столе. Выберите необходимую последовательность стимуляции в раскрывающемся меню настройки выбранной последовательности . Нажмите на кнопку калибровки стимулятора , чтобы откалибровать стимулятор без электрической нагрузки (т.е. участник не подключен к стимулятору).
      ВНИМАНИЕ: Если участник подключен к стимулятору во время калибровки, электрический ток может вызвать болезненные ощущения.
    7. Расположите участника удобно рядом со стимулятором постоянного тока за пределами комнаты для проведения МРТ.
    8. Определите самую широкую часть головы участника, от лба (чуть выше бровей) до затылочной кости на затылке, чтобы выбрать оптимальный размер ЭЭГ-колпачка для удержания электродов на месте во время сеанса tDCS-фМРТ.
    9. Поместите электроды в распорку, чтобы обеспечить равное расстояние между катодами вокруг центрального анода, и прикрепите электроды к выявленным и отмеченным положениям скальпа.
    10. Используйте ЭЭГ-колпачок оптимального размера без пластиковых вставок, чтобы удерживать электроды на месте во время тDCS-фМРТ.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Следите за тем, чтобы электроды не смещались во время установки колпачка.
    11. Подсоедините выводы электродных кабелей к внутренней коробке стимулятора постоянного тока для проверки импеданса. Выберите необходимую последовательность стимуляции в раскрывающемся меню настройки выбранной последовательности . Начните проверку импеданса, нажав кнопку проверки импеданса на стимуляторе постоянного тока. Убедитесь, что включен режим MR .
    12. Проведите проверку импеданса, нажав соответствующую кнопку на интерфейсе стимулятора; если импеданс составляет ≤25 кОм, перейдите к следующему шагу (4.1.13). Если импеданс выше для любого электрода, мягко прижмите электроды к коже головы, затяните колпачок и дайте проводящей пасте нагреться. При необходимости нанесите еще пасты.
    13. Отсоедините внутреннюю коробку от внешней коробки и вставьте внешнюю коробку в волновод сканера.
    14. Проведите участника в комнату сканера, держась за внутреннюю коробку и подключенные кабели электродов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В любое время будьте очень осторожны, чтобы на кабелях не было натяжения, которое может привести к смещению электрода.
    15. Попросите участника сесть на стол для МРТ-исследования и снова подсоедините внутреннюю коробку к внешней коробке (которая вставляется в волновод сканера).
    16. Расположите участника в удобном положении лежа на спине на столе для МРТ-исследования, при этом голова должна находиться в катушке с открытой головкой. Используйте надувные подушки с обеих сторон головы и дополнительную подушку в верхней части головы для ее стабилизации.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Надувные подушки предпочтительнее боковых подушек из пенопласта, чтобы избежать смещения электродов при вставлении поролоновых подушечек.
    17. Проведите кабели электродов через нижнюю часть катушки головки, прежде чем прикрепить верхнюю часть катушки головки и зафиксировать ее на месте.
    18. Расположите внутреннюю коробку рядом с участником на столе для МРТ-исследования и переместите участника в отверстие сканера.
    19. Покиньте комнату сканирования и сообщите участнику о предстоящих процедурах через коммуникационный интерфейс сканера перед каждой структурной и функциональной последовательностью визуализации, а также перед второй проверкой импеданса внутри сканера.
  2. Одновременная tDCS-фМРТ
    1. На панели сканера ПК зарегистрируйте нового участника, нажав Главное меню | Экзамен | Регистрация пациента и заполнение необходимых полей. Перейдите в раздел «Выбор программы » и соберите и выберите планируемый протокол визуализации. Нажмите на «Ориентация пациента » и выберите «Сначала голова», вариант положения лежа на спине . В раскрывающемся меню « Область исследования и латеральность » выберите «Мозг » и нажмите «Обследование », чтобы перейти в меню «Обследование».
    2. Следуйте инструкциям на экране, чтобы получить запланированные сканирования (сокращение времени точечного кодирования до фМРТ с помощью радиального сбора данных (PETRA), фМРТ, PETRA после фМРТ) в порядке, указанном на следующих шагах данного протокола.
      1. Приобретите скан PETRA , который позволяет проверить положение электродов на голове участника.
      2. Сообщите участнику, что будут проведены два 10-минутных сканирования фМРТ в состоянии покоя и что он/она должен удерживать взгляд на фиксирующем кресте (отображаемом с помощью проектора и зеркал, установленных на головной катушке) в течение всего периода сканирования (2 x 10 минут).
      3. Запустите стимуляцию tDCS, нажав кнопку init стимуляции на панельном ПК. Нажмите кнопку запуска отпускания , чтобы начать стимуляцию с 10-секундным нарастанием до начала последовательности функциональной визуализации. Вводите tDCS в течение 20 мин с 2 мА.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Возможны другие протоколы стимуляции с различными периодами нарастания или интенсивностью или продолжительностью стимуляции.
      4. После окончания функционального сканирования и периода стимуляции проведите повторное сканирование PETRA , пока электроды все еще прикреплены к голове участника.
        ПРИМЕЧАНИЕ: По сравнению со сканированием PETRA до фМРТ, это позволяет определить потенциальное движение электродов в эксперименте tDCS-фМРТ (т.е. дрейф).
    3. По окончании сеанса МРТ отсоедините кабели электродов от внешнего бокса и выключите стимулятор постоянного тока, переместите участника из отверстия сканера, снимите колпачок с головы участника, снимите электроды.
    4. Осмотрите кожу головы участника на предмет потенциального покраснения кожи, вызванного стимуляцией. Очистите кожу головы участника в том месте, где были размещены электроды.
    5. В конце эксперимента попросите участника заполнить опросники о побочных эффектах tDCS29 и ослепление 31,32.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

В исследование были включены данные 43 здоровых молодых участников (20 мужчин/23 женщины в возрасте 24,74 ± 5,50 лет). Участники прошли до четырех сеансов фМРТ. Нейронавигация по размещению электродов проводилась перед каждым сеансом фМРТ. Всего в анализ данных было включено 338 наборов данных, представляющих положения центральных анодов до и после фМРТ.

Для определения предполагаемых положений электродов было выполнено индивидуальное моделирование тока с использованием данных...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Критические шаги, возможные изменения и устранение неполадок метода
Точное позиционирование электродов является решающим техническим фактором в экспериментах tDCS, а отклонения от предполагаемого положения скальпа или дрейфа электродов могут повлиять на поток тока к предполагаемым целевым областям мозга42,43. Это особенно актуально для очаговых tDCS, так как региональная специфичность администрируемого тока де...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

MAN входит в состав научно-консультативных советов Neuroelectrics и Précis. AH частично работает в компании neuroConn GmbH. У других авторов нет конфликта интересов, о котором можно было бы заявить.

Благодарности

Это исследование финансировалось Немецким научно-исследовательским обществом (гранты проекта: FL 379/26-1; МЕ 3161/3-1; CRC INST 276/741-2 и 292/155-1, Исследовательское подразделение 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 был поддержан Фондом Лундбека (грант R313-2019-622). Мы благодарим Софи Дабельштейн и Киру Херинг за помощь в извлечении данных.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Нейронавигационная система BrainsightBrainsight; Rogue Research Inc., Монреаль; al, Канада
CR-5 Pro высокотемпературный 3D-принтер CREALITY, Шэньчжэнь, Китай
DC-стимулятор MCNeuroConn GmbH, Ильменау, Германияhttps://www.neurocaregroup.com/technology/dc-stimulator-mc
EMLA Cream 5%Aspen, Дублин, Ирландия
MAGNETOM Vida 3T, syngo_MR_XA50 программное обеспечениеSiemens Healthineers AG, Форххайм, Германия
ФотоаппаратPolarisПолярная звезда (Polaris Vicra); Northern Digital Inc., Ватерлоо, Канада
Ten20 проводящая паста для ЭЭГWeaver and Company, Aurora, США
нить для 3D-принтера TPUSUNLU International, Гонконг, Китай
Пример альтернативы
Ingenia 3.0T (MR-сканер)Phillips, Амстердам, Нидерланды
Localite TMS Navigator (Нейронавигационное оборудование)Localite, Бонн, Германия
Neural Navigator (Нейронавигационное оборудование)Soterix, Нью-Джерси, США
PEBA 3D принтер филаментKimya, Нант, Франция
PLA 3D принтер филаментFilamentworld, Ной-Ульм, Германия
StarStim (Стимулятор)Нейроэлектрика, Барселона, Испания

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Больше статей

Нейронавигационное размещение электродовфокальная tDCSточность размещения электродовмоделирование токадрейф электродовфМРТ в состоянии покоядорсолатеральная префронтальная кораЭЭГ-шапочка
Нейронавигированная фокальная транскраниальная стимуляция постоянным током во время функциональной магнитно-резонансной томографии
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.