Методическая статья

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

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 структурной МРТ, полученных в отдельном сеансе МРТ (перед сеансами фМРТ). Текущее моделирование было направлено на оптимизацию положения скальпов в установках 3 x 1 для максимизации потока тока к rDLPFC (N = 19, участники/N = 137 точек данных), rOTC (N = 12/104) или lTPJ (N = 12/97). Фактическое положение центральных анодов установок 3 x 1 было определено эмпирически с использованием данных структурной МРТ (изображения PETRA), полученных до и после каждого сеанса фМРТ (примечание: координаты для нацеливания были предоставлены в предметном пространстве. Следовательно, сканирование отдельных участников в формате PETRA было зарегистрировано совместно с их собственным Т1-взвешенным изображением, полученным во время базового сканирования, на котором было основано полевое моделирование. Поскольку идентификация положения электродов в 3D подвержена ошибкам, для определения шести краевых точек центральных анодов был использован модифицированный двухмерный вид «блинчика» реконструированного скальпа с электродами (см. рис. 537,38). Впоследствии центр масс был рассчитан для получения центральных координат анодов для каждого сеанса фМРТ и временной точки (т.е. до или после tDCS). Впоследствии было применено обратное 2D>-3D преобразование для получения координат электродов в 3D пространстве.

Пространственная точность размещения электродов с нейронавигацией была исследована путем сравнения «предполагаемых» и «фактических» положений электродов25 и представлена как расстояние от нормы L2 (евклидова норма)39. Норма L2 — это стандартная векторная норма, вычисляемая как квадратный корень из суммы квадратов векторных компонентов. Разница между предполагаемыми и фактическими координатами вычисляется по разности всех векторных компонентов, а именно каждого измерения трехмерного пространства (x/y/z). Смещение электродов в ходе эксперимента (т.е. дрейф) исследовали путем сравнения фактических положений электродов, определенных до и после фМРТ.

Кроме того, мы сравнили точность нацеливания при размещении электродов с нейронавигацией с данными предыдущего исследования нашей группы, в котором использовался подход к нацеливанию на основе скальпа (система ЭЭГ10-20 25). Это исследование включало данные 60 участников (31 мужчина/29 женщин, в возрасте 22,17 ± 2,33 года), двух целевых областей (N = 30/30, моторная кора/нижняя лобная извилина) и два сеанса фМРТ, в общей сложности 240 точек данных. Данные и код, используемые для всех анализов, находятся в открытом доступе по адресу https://github.com/LawsOfForm/VerFlu_Simulation_Niemann_2023.

Линейные смешанные модели использовались для анализа (а) отклонения фактических положений электродов от заданных мест и (б) дрейфа по сеансу фМРТ со следующей формулой и нормой L² в качестве зависимой переменной:

yij = β0 + POSITIONx1ij + REGIONx2ij + POSITION * REGIONx3ij + μ0j + εij

yij - L2 Norm расстояние между предполагаемым и фактическим положением электродов в ПОЛОЖЕНИИ i объекта j. β0 — пересечение с фиксированным эффектом, X1 — значение для POSITION (1: предполагаемое, 2: фактическое до фМРТ; 3: после фМРТ) в позиции i у субъекта j. X2 — значение для интересующей области (1: lTPC, 2: rDLPFC, 3:rOTC) в области i у субъекта j. X3 — значение взаимодействия для POSITION и REGION для позиции и области i и объекта j, u0 — случайный пересечение для субъекта j (μ0j ~ N(0, τ002)); εij — остатки для точки времени i в субъекте j (εij ~ N(0,σ2)).

Сравнение точности нацеливания при размещении электродов с нейронавигацией и на основе скальпа проводилось с помощью t-критерия, основанного на разнице норм L 2 между предполагаемым и фактическим положением в соответствующих группах.

Точность размещения и смещения с помощью нейронавигации в эксперименте
Референсная модель (предполагаемое размещение центральных анодов; область: lTPC) показала значительные отклонения положений электродов от предполагаемых положений как до фМРТ, так и после нее (8,71 мм, 95%-ДИ: [6,57-10,84], p < 0,001; 8,51 мм, 95% -ДИ: [6,35-10,66], p < 0,001) Дополнительная таблица S1. Апостериорный анализ оцененных предельных средних (EMM) был рассчитан для всех основных и простых эффектов, представляющих интерес (см. Дополнительную таблицу S2, Дополнительную таблицу S3, Рисунок 6, Рисунок 7, Дополнительный рисунок S3 и Дополнительный рисунок S4). Прогнозируемая средняя ошибка размещения для всех сеансов до фМРТ составила 8,54 мм 95%-ДИ: [7,66-9,42] и значительно отличалась от предполагаемых позиций (t (296) = -8,54, p < 0,0001). То же самое относится и к координатам после фМРТ (8,61 мм, 95% -ДИ: [7,73-9,50]; t (296) = -10,97, p < 0,0001, см. рисунок 6 и дополнительную таблицу S2). Поскольку ошибки размещения могут различаться в зависимости от региона 25,40,41, неточное размещение также было рассчитано между целевыми регионами для каждой позиции. Тем не менее, не было обнаружено региональных различий между rOTC, lTPC и rDLPFC (Дополнительная таблица S3, Рисунок 7 и Дополнительный рисунок S4).

Смещение центральных анодов (т.е. дрейф), оцениваемое путем сравнения фактических положений электродов между до и после фМРТ, было пренебрежимо малым (-0,08 ± 0,39 мм; t (291) =-0,20, p = 0,98). Более подробная информация приведена на рисунке 6 и в дополнительной таблице S2.

Сравнение ошибок размещения электродов между подходами к размещению электродов с нейронавигацией и на основе скальпа
Чтобы исследовать релевантность размещения с нейронавигацией, различия между предполагаемыми и фактическими положениями L² Norm на основе размещения электродов с нейронавигацией были ретроспективно сравнены с данными, полученными в предыдущем исследовании, в котором использовался подход к нацеливанию на основе скальпа25. В данном исследовании разница норм L² между предполагаемым и фактическим положением анода составила 12,33 ± 5,67 мм. Прямое сравнение нейронавигационного (8,83 ± 4,68) и скальпового подходов выявило достоверное уменьшение расстояния L² Norm на 3,50 мм в пользу нейронавигационной установки электродов (t (397) = 4,91, p < 0,001).

figure-results-1
Рисунок 1: Упрощенное описание последовательности шагов, представляющее метод индивидуализированного текущего моделирования. Метод направлен на определение оптимизированного положения электродов скальпа над целевой областью (правая DLPFC) с использованием фокальной установки 3 x 1 tDCS. (А) Анатомическая область мишени выделена серым цветом. (B) Оптимизированное положение электродов, изображенное на восстановленной головке участника (анод = черный, катод 1 = красный, катод 2 = зеленый, катод 3 = синий). (C) Моделирование электрического поля на основе индивидуального моделирования тока для данного монтажа (в В/м). (D) Целевые координаты для всех предполагаемых положений электродов, используемых во время нейронавигационного нацеливания (размеры: x/y/z). Сокращения: DLPFC = правая дорсолатеральная префронтальная кора; tDCS = транскраниальная стимуляция постоянным током. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-2
Рисунок 2: Нейронавигационное оборудование. 1) Предметный трекер, 2) Отвертка, 3) Шестигранный стержень, 4) Очки, 5) Указка. ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение нейронавигации взаимодействует с датчиком положения (камерой слежения) для определения местоположения трекера объекта (установленного на очках). Он использует регистрационную матрицу (полученную путем идентификации ориентиров на голове субъекта с помощью указателя) для выравнивания положения головы субъекта из реального мира в пространство изображений участника (на основе Т1-взвешенного изображения участника). Обзор общей конфигурации представлен на дополнительном рисунке S1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-3
Рисунок 3: Валидация целевого региона. Проиллюстрирована процедура валидации целевых областей стимуляции с помощью нейронавигации. 1) Трекер объекта съемки собран с левой стороны очков. 2) Указатель используется для определения предполагаемого положения анода (rDLPFC). 3) Зеленое перекрестие и красная точка (представляющая собой кончик указателя) на экране компьютера. 3а) Порядковый номер зеленого цвета, если указатель отклоняется от перекрестия менее чем на 3 мм; 3б) индекс имеет оранжевый цвет, если стрелка отклоняется в пределах от 3 до 5 мм; и 3в) он красный, если стрелка отклоняется более чем на 5 мм. Аббревиатура: rDLPFC = правая дорсолатеральная префронтальная кора. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-4
Рисунок 4: Выбранные компоненты многоканального DC-стимулятора и *пользовательские компоненты. (A) 1) Адаптер, который подключается к выходу стимулятора постоянного тока, 2) Внешний кабель LAN, 3) *Внешний блок (фильтр-бокс), который расположен внутри волновода сканера во время tDCS-фМРТ. Зажим прикреплен к волноводу для соединения фильтрующей коробки с плавающей массой экранированной камеры МРТ для уменьшения потенциальных артефактов. 4) внутренний коробчатый кабель, 5) внутренний короб с заглушками для электродных кабелей, 6) адаптер предохранителя, объединяющий три отдельных канала в один для центрального анода, 7) * кабели плавленых электродов и электрод центрального анода (радиус 10 мм) из гибкого и электропроводящего силикона, 8) индивидуальный катод и кабель, 9) пример электрода, вставленного в напечатанный на 3D-принтере наполнитель, 10) пример электрода, помещенного в 3D спейсер, 11) измерительная лента, 12) ЭЭГ-колпачок без пластиковых вставок для фиксации электродов на волосистой части головы. Для получения полной комплектации и стандартных компонентов, не используемых в данном протоколе, считыватели могут быть отправлены на веб-сайт производителя (ссылка в Таблице материалов). (B) 3D модель вспомогательного средства заполнения электрода. (C) 3D модель дистанционной рамки. Сокращения: tDCS-фМРТ = транскраниальная стимуляция постоянным током - функциональная магнитно-резонансная томография; ЭЭГ = электроэнцефалография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-5
Рисунок 5: Блинчик на коже головы и электродов на основе изображения PETRA. Цветами обозначены разные размеры распущенной маски скальпа (красный = 2 мм; зеленый = 4 мм, синий = 6 мм надутой кожи головы для визуализации глубины головы). Ориентации преобразованного изображения отмечены белыми буквами. Белыми точками обозначены выбранные вручную краевые точки центрального анода, расположенные над правой дорсолатеральной префронтальной корой. Центр масс вычислялся как координата средней точки краев до повторного преобразования в 3D-пространство. Сокращения: PETRA = Pointwise Encoding Time reduction with Radial Acquisition; L = левый; R = правый; P = задний; А = передний. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-6
Рисунок 6: Расчетные предельные средние расстояния от нормы L2 (евклидовы нормы) между предполагаемым и фактическим положением электродов анодного электрода во всех сеансах и областях (rOTC, lTPC, rDLPFC). Исходные точки данных в бирюзовом цвете. EMM 95% доверительные интервалы выделены серым цветом. Сокращения: EMM = Estimated Margin Means; rOTC = правая затылочная височная кора; lTPC = левая височная теменная кора; rDLPFC = правая дорсолатеральная префронтальная кора; фМРТ = функциональная магнитно-резонансная томография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-7
Рисунок 7: Расчетное среднее значение нормы L2 (евклидова норма) расстояние между предполагаемым и фактическим положением электродов анодного электрода во всех сеансах между каждой областью (rOTC, lTPC, rDLPFC) для каждого положения (предполагаемое, до/после фМРТ). Исходные точки данных в бирюзовом цвете. EMM 95% доверительные интервалы выделены серым цветом. Сокращения: EMM = Estimated Margin Means; rOTC = правая затылочная височная кора; lTPC = левая височная теменная кора; rDLPFC = правая дорсолатеральная префронтальная кора; фМРТ = функциональная магнитно-резонансная томография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Дополнительный рисунок S1: Обзор нейронавигационной системы. 1) Управляющий компьютер нейронавигационной системы с установленным программным обеспечением для нейронавигации; 2) Фотоаппарат Polaris; 3) Ножная педаль; 4) Очки с датчиком предмета (подробнее см. Рисунок 2 ); 5) Указка. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный рисунок S2: Реконструированная кожа с ориентирами желтого цвета. 1) насьон, 2) левая ноздря; 3) правая ноздря; 4) левая преаурикулярная ямка; 5) правая преаурикулярная ямка (см. протокол шаг 3.1.7). Сокращения: LPA = левая преаурикулярная ямка; RPA = правая преаурикулярная ямка. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный рисунок S3: Расчетные предельные средние L² нормы (евклидовой нормы) расстояния между предполагаемым и фактическим положением электродов анодного электрода во всех сеансах между положениями (предполагаемыми, до/после фМРТ) для каждой области (rOTC, lTPC, rDLPFC). Исходные точки данных в бирюзовом цвете. EMM 95% доверительные интервалы выделены серым цветом. Сокращения: EMM = Estimated Margin Means; rOTC = правая затылочная височная кора; lTPC = левая височная теменная кора; rDLPFC = правая дорсолатеральная префронтальная кора; фМРТ = функциональная магнитно-резонансная томография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный рисунок S4: Расчетное среднее значение L² нормы (евклидовой нормы) расстояния между предполагаемым и фактическим положением электродов анодного электрода во всех сеансах и положениях (предполагаемых, до/после фМРТ) для каждой области интереса (rOTC, lTPC, rDLPFC). Исходные точки данных в бирюзовом цвете. EMM 95% доверительные интервалы выделены серым цветом. Правая затылочная височная кора (rOTC), левая височная теменная кора (lTPC), правая дорсолатеральная префронтальная кора (rDLPFC). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительная таблица S1: Результаты анализа линейной смешанной модели для L² нормы (евклидовы нормы) расстояния между предполагаемыми и фактическими координатами. Представлены коэффициенты регрессии линейных смешанных моделей (моделей случайного перехвата) и двусторонних p-значений. Сокращения: ДИ = доверительный интервал; rOTC = правая затылочная височная кора; lTPC = левая височная теменная кора; rDLPFC = правая дорсолатеральная префронтальная кора; df = степени свободы; σ2 = объединенная остаточная дисперсия; τ = совокупная дисперсия, объясненная испытуемыми; ICC = коэффициент внутриклассовой корреляции; N = количество испытуемых. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительная таблица S2: Апостериорные ЭММ для анализа линейной смешанной модели для различий L² нормы (евклидовой нормы)). Основные и простые контрасты для основного эффекта положения (предполагаемый, до/после фМРТ, см. также дополнительный рисунок S2) и простые эффекты положения для каждой области (lTPC, rDLPFC, rOTC, см. также рисунок 6). Для простых эффектов отображаются только значимые эффекты. Сокращения: EMM = Estimated Margin Means; SE = стандартная ошибка; df = степени свободы; rOTC = правая затылочная височная кора; lTPC = левая височная теменная кора; rDLPFC = правая дорсолатеральная префронтальная кора. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительная таблица S3: Апостериорные ЭМИ для анализа разницы в норме L² (норме Евклида) с помощью линейной смешанной модели. Основные и простые контрасты для основного эффекта области (lTPC, rDLPFC, rOTC, см. также Дополнительный рисунок S3) и простые эффекты области для каждой позиции (предполагаемые, до/после фМРТ, см. также Рисунок 7). Сокращения: EMM = Estimated Margin Means; SE = стандартная ошибка; df = степени свободы; rOTC = правая затылочная височная кора; lTPC = левая височная теменная кора; rDLPFC = правая дорсолатеральная префронтальная кора. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 делает эти установки особенно восприимчивыми к влиянию ошибок позиционирования 5,25. В настоящем протоколе мы описали метод нейронавигированной, фокусированной tDCS, вводимой во время фМРТ, который направлен на повышение точности размещения индивидуально определенных положений скальпа. Важнейшие шаги включают в себя: (1) использование моделирования электрического тока для оптимизации положения кожи головы 3 x 1 для каждого участника исследования, (2) идентификацию оптимизированных положений скальпа с помощью нейронавигации, (3) позиционирование и закрепление электродов на коже головы с использованием стандартизированных процедур и (4) исследование точности размещения и смещения электродов до и после одновременной tDCS-фМРТ.

Первый шаг в нашем протоколе описывает оптимизацию положения электродов для отдельного участника исследования нашего текущего исследовательского подразделения (RU) с помощью индивидуального моделирования тока (код для восстановления оптимизации можно найти здесь https://github.com/memoslap/SimNIBS_Optimization). Этот подход весьма специфичен для проектов RU и включает в себя два подготовительных этапа, не описанных здесь: (1) Определение анатомических целевых областей для восьми эмпирических проектов RU (www.memoslap.de) на основе исследований фМРТ и/или tDCS, в которых использовались те же / похожие двигательные или когнитивные задачи; (2) выравнивание средней дозы тока по проектам путем регулировки расстояния между центральным анодом и окружающими катодами. Это включало в себя исследование вычислительного моделирования и данные структурной визуализации, доступные нашей группе, чтобы определить расстояние между электродами для конкретного проекта. Затем эти монтажи для конкретных проектов были использованы для оптимизации положения скальпов для отдельных участников проектов RU для достижения максимальной интенсивности тока в соответствующих целевых регионах (в данном протоколе используется правый DLPFC). Примечательно, что существует множество возможных способов определения желаемых положений кожи головы, и они зависят от целей исследования (т.е. региональный контроль или контроль дозы, анатомическое или функциональное таргетирование).

Аналогичным образом, существует ряд различных коммерчески доступных нейронавигационных устройств и стимуляторов постоянного тока, которые могут быть использованы для нейронавигационного размещения и проведения исследования tDCS-фМРТ. Следовательно, внесение изменений в процедуры, изложенные в этом протоколе, потребуется, если используется оборудование других производителей или проводится tDCS-фМРТ с помощью сканера другого типа. Тем не менее, мы считаем, что протокол может быть гибко адаптирован в соответствии с требованиями, предъявляемыми к конкретному исследованию. Например, для установок 3 x 1 мы рекомендуем использовать распорку, напечатанную на 3D-принтере, чтобы обеспечить достижение желаемого расстояния между электродами и его сохранение во время размещения и сканирования. Нормализация количества проводящей пасты может быть достигнута с помощью вспомогательного средства для заполнения электродов, как описано в данном протоколе. Чтобы обеспечить возможность персонализации, 3D-модели, используемые для печати, стали общедоступными (см. шаг протокола 4.1.3.2).

Сложность экспериментов с фМРТ с помощью интрасканера tDCS является еще одним важным фактором, который требует от участников перехода в электроды, прикрепленные к их голове. Эти исследования несут значительный риск последующего смещения электрода, даже при точном позиционировании5. Поэтому мы рекомендуем регулярно внедрять соответствующие методы для минимизации смещения и смещения электродов (например, использование стандартных надувных подушек для МРТ, совместимых с МРТ, чтобы избежать смещения электродов внутри МРТ-сканера, ЭЭГ-шапочек или контурных ремней для удержания электродов на месте, а также другие меры, подробно описанные в протоколе выше).

Наконец, по сравнению с поведенческими исследованиями tDCS, введение tDCS во время фМРТ позволяет проверить точное положение электродов на коже головы (на основе 3D-изображений структурной МРТ) и количественно оценить потенциальные отклонения от предполагаемых положений. Однако определение положения электродов в 3D подвержено ошибкам. Поэтому мы предлагаем 2D-трансформацию кожи головы и электродов, чтобы облегчить проверку фактического положения электродов. Тем не менее, необходимы дальнейшие исследования, чтобы подтвердить этот новый подход и сравнить результаты с извлечением данных из 3D-изображений.

Значимость метода по сравнению с существующими другими методами
Подходы, основанные на нацеливании на скальп (например, система 10-20 ЭЭГ44) использовались в большинстве исследований tDCS до настоящего времени. Это включает в себя ручную или автоматизированную идентификацию анатомических ориентиров и дополнительные измерения (например, окружность головы, расчет пересечений между ориентирами) для определения предполагаемого положения электродов на скальпе. Хотя этот подход в некоторой степени учитывает размер головы отдельных участников, он пренебрегает другими характеристиками мозга и морфологии черепа, что приводит к потере точности 5,41,45. Повышенная точность, которая может быть достигнута с помощью нейронавигации под контролем МРТ, проиллюстрирована в разделе репрезентативных результатов этого протокола. В этой статье мы количественно оценили точность нейронавигированного таргетинга, используя данные продолжающегося многоцентрового исследования tDCS-фМРТ, и ретроспективно сравнили точность размещения нейронавигационного таргетинга с подходом на основе скальпа. Кроме того, мы исследовали степень смещения электродов при проведении фМРТ. Основные результаты эмпирической части этого протокола заключались в том, что (1) нейронавигированное наведение превосходит установку электродов на основе скальпа, с примерно на 40% более высокой точностью по сравнению с нормой L2; и (2) наблюдался минимальный дрейф электродов между сеансами фМРТ, что свидетельствует о том, что выполненные технические и процедурные шаги по удержанию электродов на месте (т.е. колпачок, спейсер, надувные подушки) были успешными.

Ограничения и дальнейшее применение метода
Существует несколько ограничивающих факторов для использования подхода, описанного в этом протоколе. Например, оптимизация предполагаемого положения электродов с помощью вычислительного моделирования, нейронавигационного нацеливания и верификации электродов требует доступа к данным структурной МРТ, специальных технических знаний и дорогостоящего оборудования, которое может быть недоступно. Следовательно, этот подход ограничен специализированными исследовательскими центрами, проводящими исследования, требующие высокой пространственной точности доставки тока (например, экспериментальные исследования в нейротипичных популяциях, изучающие причинно-поведенческие связи мозга, или исследования с помощью компьютерного моделирования, изучающие отношения «доза-ответ»). В этом контексте стоит отметить, что достоверность текущего моделирования на основе МРТ может быть снижена у пациентов с хирургией головы или прогрессирующими поражениями, что необходимо учитывать при применении методов, описанных в данном протоколе, к клиническим популяциям.

Кроме того, оптимизация положения электродов с помощью компьютерного моделирования и нейронавигационного размещения в этом протоколе направлена на максимизацию анатомической точности. Как упоминалось выше, возможны и другие способы индивидуализированного нацеливания (включая инвазивные подходы, ограниченные конкретными клиническими популяциями), и анатомическая точность не обязательно подразумевает функциональную значимость стимулируемой области. Для последнего потребуется задача локализации (либо на уровне отдельного участника, либо на уровне группы), полученная до tDCS-фМРТ, чтобы определить функционально значимые области мозга для нейронавигированного таргетинга. Кроме того, будущие исследования должны определить функциональную значимость смещения электродов для поведенческих и нейронных функций, включая прямое сравнение эффектов между фокальным и обычным монтажом.

Следует отметить, что компьютерное моделирование опирается на анатомическую точность (полу)автоматических сегментаций тканей, полученных с помощью МРТ, и оценивает электрическое поле на основе предположений об электропроводности тканей различных классов 5,47. Поэтому для повышения точности вычислительных моделей важно проверить эти предположения и оценить точность сегментации. В связи с этим новые методы изучения индуцированной tDCS проводимости тока ткани головного мозга при одновременных измерениях tDCS-MRI включают магнитно-резонансную томографию плотности тока (MRCDI) и магнитно-резонансную электроимпедансную томографию (MREIT)5,48,49. Эти подходы обладают потенциалом для валидации моделирования электрического поля tDCS и оптимизации индивидуальных расчетов дозы тока. Сочетание таких оптимизированных подходов к вычислительному моделированию с нейронавигированной tDCS, вероятно, повысит точность и эффективность tDCS в экспериментальном и клиническом контекстах в ближайшем будущем.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

tDCS

Похожие статьи