Summary

Besluttsomhet ved stimulering av posisjon ved hjelp av en 3D-digitaliseringsenhet med High-Definition Transkraniell direkte strøm stimulering

Published: December 20, 2019
doi:

Summary

Presentert her er en protokoll for å oppnå høyere nøyaktighet i fastsettelse av stimulering plassering kombinere en 3D-digitalisering med HD-Transkraniell direkte strøm stimulering.

Abstract

Overflod av neuroimaging data og rask utvikling av maskinlæring har gjort det mulig å undersøke hjernens aktiverings mønstre. Imidlertid, årsaksspor av hjerne område aktivisering leder å en opptreden er ofte igjen savner. Transkraniell direkte strøm stimulering (tDCS), som midlertidig kan endre hjernens kortikale excitability og aktivitet, er et ikke-invasiv nevrofysiologiske verktøy som brukes til å studere årsaksforhold i den menneskelige hjernen. High-Definition Transkraniell direkte strøm stimulering (HD-tDCS) er en ikke-invasiv hjerne stimulering (NIBS)-teknikk som produserer en mer fokal strøm sammenlignet med konvensjonelle tDCS. Tradisjonelt har stimulering plasseringen er grovt bestemt gjennom 10-20 EEG systemet, fordi bestemme presise stimulering poeng kan være vanskelig. Denne protokollen bruker 3D-digitalisering med HD-tDCS for å øke nøyaktigheten i fastsettelsen av stimulering av punkter. Metoden er demonstrert ved hjelp av en 3D-digitalisering for mer nøyaktig lokalisering av stimulering punkter i høyre temporo-parietal Junction (rTPJ).

Introduction

Transkraniell direkte strøm stimulering (tDCS) er en ikke-invasiv teknikk som modulerer kortikale excitability med svake direktestrømmer over hodebunnen. Formålet er å etablere årsakssammenheng mellom neural excitability og atferd hos friske mennesker1,2,3. I tillegg, som en motor Neurorehabilitation verktøy, tDCS er mye brukt i behandlingen av Parkinsons sykdom, hjerneslag, og cerebral parese4. Eksisterende bevis tyder på at tradisjonelle pad-baserte tDCS produserer strøm strømme gjennom en relativt større Brain region5,6,7. High-Definition Transkraniell direkte strøm stimulering (HD-tDCS), med senter ring elektroden som sitter over et mål kortikale område omgitt av fire retur elektroder8,9, øker focality med omskreven fire ring områder5,10. I tillegg, endringer i excitability av hjernen indusert av HS-tDCS har betydelig større magnitudes og lengre varighet enn de som genereres av tradisjonelle tDCS7,11. Derfor er HD-tDCS mye brukt i forskning7,11.

Ikke-invasiv hjerne stimulering (NIBS) krever spesialiserte metoder for å sikre at en stimulering nettstedet er til stede i standard MNI og Talairach systemer12. Neuronavigation er en teknikk som gjør det mulig for kartlegging interaksjoner mellom Transkraniell stimuli og den menneskelige hjerne. Dens visualisering og 3D-bildedata brukes for presis stimulering. I både tDCS og HD-tDCS, en felles vurdering av stimulering nettsteder i hodebunnen er vanligvis EEG 10-20 system13,14. Denne målingen er mye brukt for å plassere tDCS pads og optode holdere for funksjonell nær infrarød spektroskopi (fNIRS) i den innledende fasen13,14,15.

Det kan være vanskelig å fastslå de presise stimulering punktene ved bruk av 10-20-systemet (f.eks. i temporo-parietal-krysset [TPJ]). Den beste måten å løse dette på er å få strukturelle bilder fra deltakerne ved hjelp av magnetisk resonans imaging (MRI), og deretter få nøyaktig sonde posisjon ved å matche målet peker til sine strukturelle bilder ved hjelp digitalisering produkter15. Mr gir god romlig oppløsning, men er dyrt å bruke15,16,17. Videre kan noen deltakere (f.eks. de med metallimplantater, klaustrofobiske personer, gravide kvinner osv.) ikke utsettes for MRI-skannere. Derfor er det et sterkt behov for en praktisk og effektiv måte å overvinne de ovennevnte begrensningene og øke nøyaktigheten i fastsettelsen av stimulering poeng.

Denne protokollen bruker en digitalisering av 3D for å overkomme disse begrensningene. Sammenlignet med MRI er de viktigste fordelene med 3D-digitalisering lave kostnader, enkel påføring og bærbarhet. Det kombinerer fem referansepunkter (dvs. cz, Fpz, Oz, venstre preauricular punkt, og høyre preauricular punkt) av individer med stedsinformasjon for målet stimulering poeng. Deretter produserer den en 3D-posisjon av elektroder på emnet hode og anslår deres kortikale posisjoner ved montering med store data fra strukturelle bildet12,15. Denne sannsynlighetsbasert registreringsmetoden gjør det mulig å presentere Transkraniell tilordningsdata i MNI koordinatsystem uten å ta opp et motiv magnetiske resonans bilder. Tilnærmingen genererer anatomiske automatiske etiketter og Brodmann områder11.

3D-digitalisering, som brukes til å markere plass koordinater basert på data fra strukturelle bilder, ble først brukt til å bestemme plasseringen av optodes i fNIRS forskning18. For de som bruker HD-tDCS, en 3D-digitalisering bryter den endelige stimulering poeng av EEG 10-20 systemet. Avstanden til de fire retur elektrodene og senter elektroden er fleksibel og kan justeres etter behov. Når du bruker 3D-digitalisering med denne protokollen, ble koordinatene til rTPJ innhentet, som er utenfor 10-20-systemet. Også vist er prosedyrene for målretting og stimulere høyre temporo-parietal Junction (rTPJ) av den menneskelige hjerne.

Protocol

Protokollen oppfyller retningslinjene for den institusjonelle gjennomgang Board of Southwest University. 1. fastsettelse av stimulering location Review litteraturen og bekrefte stimulering location (her, rTPJ)19,20,21. 2. fremstilling av elektrode holde lokket Merk: følgende trinn vises i figur…

Representative Results

Ved hjelp av metodene presentert, koordinater for rTPJ ble bestemt, noe som krever stimulering poeng utover 10-20 systemet. For det første bør omkretsen av headform være lik den faktiske hodet. Her var lengden på nasion til inion av headform ~ 36 cm, og lengden mellom den bilaterale preauricular var ~ 37 cm. Trinnene for å produsere elektrode lokket veileder måle posisjonene til 10-20-systemet. Her, NZ, iz, cz, Fpz, Oz, PZ, T8, T7, C4, P8, O2, P4, C6, P6, og CP6 ble bestemt. Den omtrentl…

Discussion

Sammenlignet med tradisjonelle tDCS, øker HD-tDCS focality av stimulering. Typiske områder av stimulering er ofte basert på 10-20 EEG systemet. Det kan imidlertid være vanskelig å bestemme de presise stimulering punktene utover dette systemet. Dette papiret kombinerer en 3D-digitalisering med HD-tDCS for å fastslå stimulering av punkter utover 10-20-systemet. Det er viktig å tydelig definere trinnene og forholdsregler for å lage og bruke elektrode lokket i slike tilfeller.

Generelt er…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denne studien ble støttet av National Natural Science Foundation i Kina (31972906), entreprenørskap og Innovasjons program for Chongqing Overseas returnerte Scholars (cx2017049), grunnleggende forskningsmidler for sentrale universiteter (SWU1809003), Open Research Fund av nøkkel laboratorium for psykisk helse, Institutt for psykologi, kinesisk Academy of Sciences (KLMH2019K05), forskning Innovation prosjekter av graduate student i Chongqing (CYS19117), og forskningsprogrammet midler til Collaborative innovasjon Senter for vurdering mot grunnleggende utdannings kvalitet ved Beijing normal University (2016-06-014-BZK01, SCSM-2016A2-15003, og JCXQ-C-LA-1). Vi takker Prof. Ofir turel for hans forslag til det tidlige utkastet til dette manuskriptet.

Materials

1X1 Low Intensity transcranial DC Stimulator Soterix Medical 1300A
3-dimensional Polhemus-Patriot Digitizer POLHEMUS 1A0453-001 PATRIOT system component
4X1 Multi-Channel Stimulation Interface Soterix Medical 4X1-C3
Dell desktop computer Dell CRFC4J2 Master computer to run 3D digitizer application

References

  1. Nitsche, M. A., Paulus, W. Excitability changes induced in the human motor cortex by weak transcranial direct current stimulation. Journal of Physiology. 527, 633-639 (2000).
  2. Sellaro, R., Nitsche, M. A., Colzato, L. S. The stimulated social brain: effects of transcranial direct current stimulation on social cognition. Annals of the New York Academy of Sciences. 1369 (1), 218-239 (2016).
  3. Chen, W., et al. Sex-based differences in right dorsolateral prefrontal cortex roles in fairness norm compliance. Behavioural Brain Research. 361, 104-112 (2019).
  4. Sánchez-Kuhn, A., Pérez-Fernández, C., Cánovas, R., Flores, P., Sánchez-Santed, F. Transcranial direct current stimulation as a motor neurorehabilitation tool: an empirical review. BioMedical Engineering Online. 16 (1), 76 (2017).
  5. Dmochowski, J. P., Datta, A., Bikson, M., Su, Y., Parra, L. C. Optimized multi-electrode stimulation increases focality and intensity at target. Journal of Neural Engineering. 8 (4), 046011 (2011).
  6. 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. Science Report. 7, 40612 (2017).
  7. Datta, A., et al. Gyri -precise head model of transcranial DC stimulation: Improved spatial focality using a ring electrode versus conventional rectangular pad. Brain Stimulation. 2, 201-207 (2009).
  8. Turski, C. A., et al. Extended Multiple-Field High-Definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) is well tolerated and safe in healthy adults. Restorative Neurology and Neuroscience. 35 (6), 631-642 (2017).
  9. Datta, A., Elwassif, M., Battaglia, F., Bikson, M. Transcranial current stimulation focality using disc and ring electrode configurations: FEM analysis. Journal of Neural Engineering. 5 (2), 163-174 (2008).
  10. Edwards, D., et al. Physiological and modeling evidence for focal transcranial electrical brain stimulation in humans: a basis for high definition tDCS. Neuroimage. 74, 266-275 (2013).
  11. Kuo, H. I., et al. Comparing cortical plasticity induced by conventional and high-definition 4 x 1 ring tDCS: a neurophysiological study. Brain Stimulation. 6 (4), 644-648 (2013).
  12. Singh, A. K., Okamoto, M., Dan, H., Jurcak, V., Dan, I. Spatial registration of multichannel multi-subject fNIRS data to MNI space without MRI. Neuroimage. 27 (4), 842-851 (2005).
  13. DaSilva, A. F., Volz, M. S., Bikson, M., Fregni, F. Electrode positioning and montage in transcranial direct current stimulation. Journal of Visualized Experiments. (51), (2011).
  14. Villamar, M. F., et al. Technique and considerations in the use of 4×1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). Journal of Visualized Experiments. (77), e50309 (2013).
  15. Jasinska, K. K., Guei, S. Neuroimaging Field Methods Using Functional Near Infrared Spectroscopy (NIRS) Neuroimaging to Study Global Child Development: Rural Sub-Saharan Africa. Journal of Visualized Experiments. (132), (2018).
  16. Logothetis, N. K. What we can do and what we cannot do with fMRI. Nature. 453 (7197), 869-878 (2008).
  17. Glover, G. H. Overview of functional magnetic resonance imaging. Neurosurgery Clinics of North America. 22 (2), 133-139 (2011).
  18. Zhu, H. . The easy and stable marking method for registering fNIRS data to MNI space by using 10-20 system. , (2012).
  19. Young, L., Saxe, R. An fMRI Investigation of Spontaneous Mental State Inference for Moral Judgment. Journal of Cognitive Neuroscience. 21, 1396-1405 (2009).
  20. Young, L., Cushman, F., Hause, M., Saxe, R. The neural basis of the interaction between theory of mind and moral judgment. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 104, 8235-8240 (2007).
  21. Jurcak, V., Tsuzuki, D., Dan, I. 10/20, 10/10, and 10/5 systems revisited: their validity as relative head-surface-based positioning systems. Neuroimage. 34 (4), 1600-1611 (2007).
  22. Schestatsky, P., Morales-Quezada, L., Fregni, F. Simultaneous EEG monitoring during transcranial direct current stimulation. Journal of Visualized Experiments. (76), (2013).
  23. Klem, G. H., Lüders, H. O., Jasper, H. H., Elger, C. The ten-twenty electrode system of the International Federation. The International Federation of Clinical Neurophysiology. Cleveland Clinic Foundation. Electroencephalography & Clinical Neurophysiology Supplement. 52, 3 (1999).
  24. Society, A. E. Guideline thirteen: Guidelines for standard electrode position nomenclature. Journal of Clinical Neurophysiology. 1, 111-113 (1994).
  25. Oostenveld, R., Praamstrac, P. The five percent electrode system for high-resolution EEG and ERP measurements. Clinical Neurophysiology. 112, 713-719 (2001).
  26. Saturnino, G. B., Antunes, A., Thielscher, A. On the importance of electrode parameters for shaping electric field patterns generated by tDCS. Neuroimage. 120, 25-35 (2015).
  27. . L. Real-time Recording System of Visual Head 3D Positioning Information (VPen). China patent. , (2014).
  28. Ye, J. C., Tak, S., Jang, K. E., Jung, J., Jang, J. NIRS-SPM: Statistical parametric mapping for near-infrared spectroscopy. Neuroimage. 44 (2), 428-447 (2009).
  29. Decety, J., Lamm, C. The role of the right temporoparietal junction in social interaction: how low-level computational processes contribute to meta-cognition. Neuroscientist. 13 (6), 580-593 (2007).
  30. Villamar, M. F., et al. Focal modulation of the primary motor cortex in fibromyalgia using 4×1-ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS): immediate and delayed analgesic effects of cathodal and anodal stimulation. The Journal of Pain. 14 (4), 371-383 (2013).
  31. Borckardt, J. J., et al. A pilot study of the tolerability and effects of high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) on pain perception. The Journal of Pain. 13 (2), 112-120 (2012).

Play Video

Cite This Article
Chen, W., Chen, R., He, Q. Stimulation Location Determination using a 3D Digitizer with High-Definition Transcranial Direct Current Stimulation. J. Vis. Exp. (154), e60263, doi:10.3791/60263 (2019).

View Video