Bepaling van de stimulatie locatie met behulp van een 3D-digitizer met high-definition Transcraniële directe stroom stimulatie
Summary
Hier gepresenteerd is een protocol om een hogere nauwkeurigheid te bereiken bij de bepaling van de stimulatie locatie, waarbij een 3D-digitizer wordt gecombineerd met high-definition Transcraniële directe stroom stimulatie.
Abstract
De overvloed aan neuroimaging data en snelle ontwikkeling van machine learning heeft het mogelijk gemaakt om hersenactivatiepatronen te onderzoeken. Echter, causaal bewijs van de activering van hersengebied leidt tot een gedrag blijft vaak ontbreken. Transcraniële directe stroom stimulatie (tDCS), die tijdelijk de corticale prikkelbaarheid en activiteit van de hersenen kan veranderen, is een niet-invasief neurofysiologisch hulpmiddel dat wordt gebruikt om causale relaties in het menselijk brein te bestuderen. High-Definition Transcraniële directe stroom stimulatie (HD-tDCS) is een niet-invasieve hersenstimulatie (NIBS)-techniek die een meer focale stroom produceert in vergelijking met conventionele tDCS. Traditioneel, de stimulatie locatie is ruwweg bepaald door het 10-20 EEG systeem, omdat het bepalen van precieze stimulatie punten moeilijk kan zijn. Dit protocol maakt gebruik van een 3D-digitizer met HD-tDCS om de nauwkeurigheid bij de bepaling van de stimulatie punten te verhogen. De methode wordt gedemonstreerd met behulp van een 3D-digitizer voor een nauwkeurigere lokalisatie van stimulatie punten in de rechter temporo-pariëtale junctie (rTPJ).
Introduction
Transcraniële directe stroom stimulatie (tDCS) is een niet-invasieve techniek die corticale prikkelbaarheid moduleert met zwakke directe stromingen over de hoofdhuid. Het is bedoeld om causaliteit tussen neurale prikkelbaarheid en gedrag in gezonde mensen1,2,3vast te stellen. Bovendien, als een motorische neurorehabilitatie tool, tDCS wordt veel gebruikt in de behandeling van de ziekte van Parkinson, beroerte, en cerebrale parese4. Uit bestaand bewijs blijkt dat traditionele op pad gebaseerde tdcs de stroomtoevoer door een relatief groter hersengebied van5,6,7produceert. High-Definition Transcraniële directe stroom stimulatie (HD-tdcs), waarbij de middelste ring elektrode over een doel corticale regio wordt omringd door vier terugkeer elektroden8,9, verhoogt de focaliteit door het bezoedelen van vier ring gebieden5,10. Bovendien, veranderingen in prikkelbaarheid van de hersenen geïnduceerd door HD-tDCS hebben aanzienlijk grotere magnitudes en langere duur dan die gegenereerd door traditionele tDCS7,11. Daarom wordt HD-tDCS veel gebruikt in onderzoek7,11.
Niet-invasieve hersenstimulatie (NIBS) vereist gespecialiseerde methoden om ervoor te zorgen dat een stimulatie plaats aanwezig is in de standaard MNI en Talairach Systems12. Neuronavigation is een techniek die het mogelijk maakt om interacties tussen Transcraniële stimuli en het menselijk brein in kaart te brengen. De visualisatie en 3D-beeldgegevens worden gebruikt voor precieze stimulatie. In zowel tdcs als HD-tdcs is een gemeenschappelijke beoordeling van stimulatie sites op de hoofdhuid meestal het EEG 10-20-systeem13,14. Deze meting wordt veel gebruikt voor het plaatsen van de tdcs-pads en optode-houders voor functionele near-infraroodspectroscopie (fnirs) in de beginfase13,14,15.
Het bepalen van de precieze stimulatie punten bij het gebruik van het 10-20-systeem kan moeilijk zijn (bijv. in de temporo-pariëtale junctie [TPJ]). De beste manier om dit op te lossen is om structurele beelden van deelnemers te verkrijgen met behulp van magnetische resonantie imaging (MRI), en vervolgens de exacte sonde positie te verkrijgen door doelpunten te matchen met hun structurele afbeeldingen met behulp van digitaliserende producten15. MRI biedt een goede ruimtelijke resolutie, maar is duur om15,16,17te gebruiken. Bovendien kunnen sommige deelnemers (bijv. personen met metaal implantaten, claustrofobische mensen, zwangere vrouwen enz.) niet worden blootgesteld aan MRI-scanners. Daarom is er een sterke behoefte aan een handige en efficiënte manier om de bovengenoemde beperkingen te overwinnen en de nauwkeurigheid bij het bepalen van stimulatie punten te vergroten.
Dit protocol maakt gebruik van een 3D-digitizer om deze beperkingen te overwinnen. Vergeleken met MRI zijn de belangrijkste voordelen van een 3D-digitizer lage kosten, eenvoudige toepassing en draagbaarheid. Het combineert vijf referentiepunten (d.w.z. cz, FPZ, Oz, linker preauriculaire punt en rechter preauriculaire punt) van individuen met locatie-informatie van de doel stimulatie punten. Vervolgens produceert het een 3D-positie van elektroden op het hoofd van het onderwerp en schat hun corticale posities door te passen met de enorme gegevens uit de structurele afbeelding12,15. Deze probabilistische registratiemethode maakt de presentatie van Transcraniële toewijzingsgegevens in het MNI-coördinatensysteem mogelijk zonder opname van de magnetische resonantie beelden van een onderwerp. De aanpak genereert anatomische automatische labels en Brodmann gebieden11.
De 3D digitizer, gebruikt om ruimte coördinaten te markeren op basis van de gegevens uit structurele beelden, werd voor het eerst gebruikt om de positie van optodes in de fNIRS Research18te bepalen. Voor degenen die HD-tDCS gebruiken, breekt een 3D-digitizer de eindige stimulatie punten van het EEG 10-20-systeem. De afstand van de vier retour elektroden en de middelste elektrode is flexibel en kan zo nodig worden aangepast. Bij gebruik van de 3D-digitizer met dit protocol, werden de coördinaten van de rTPJ verkregen, die buiten het 10-20-systeem ligt. Ook getoond zijn de procedures voor targeting en het stimuleren van de juiste temporo-pariëtale kruising (rTPJ) van het menselijk brein.
Protocol
Representative Results
Discussion
In vergelijking met traditionele tDCS verhoogt HD-tDCS de focaliteit van stimulatie. Typische sites van stimulatie zijn vaak gebaseerd op het 10-20 EEG systeem. Het bepalen van de precieze stimulatie punten buiten dit systeem kan echter moeilijk zijn. Dit artikel combineert een 3D-digitizer met HD-tDCS om stimulatie punten te bepalen buiten het 10-20-systeem. Het is belangrijk om in dergelijke gevallen de stappen en voorzorgsmaatregelen voor het maken en gebruiken van de elektrode dop duidelijk te definiëren.
<p cla…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd gesteund door de National Natural Science Foundation of China (31972906), het ondernemerschap en innovatieprogramma voor Chongqing Overseas geretourneerde geleerden (cx2017049), fundamentele onderzoeksfondsen voor centrale universiteiten (SWU1809003), open Onderzoeksfonds van het sleutel laboratorium voor geestelijke gezondheid, Instituut voor psychologie, Chinese Academie van Wetenschappen (KLMH2019K05), onderzoek innovatieprojecten van Graduate student in Chongqing (CYS19117), en het onderzoeksprogramma fondsen van de collaboratieve innovatie Centrum van de beoordeling naar basisonderwijs kwaliteit aan Beijing Normal University (2016-06-014-BZK01, SCSM-2016A2-15003, en JCXQ-C-LA-1). We willen Prof. Ofir Turel graag bedanken voor zijn suggesties over het vroege ontwerp van dit manuscript.
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
- 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).
- 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).
- Chen, W., et al. Sex-based differences in right dorsolateral prefrontal cortex roles in fairness norm compliance. Behavioural Brain Research. 361, 104-112 (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Logothetis, N. K. What we can do and what we cannot do with fMRI. Nature. 453 (7197), 869-878 (2008).
- Glover, G. H. Overview of functional magnetic resonance imaging. Neurosurgery Clinics of North America. 22 (2), 133-139 (2011).
- Zhu, H. . The easy and stable marking method for registering fNIRS data to MNI space by using 10-20 system. , (2012).
- Young, L., Saxe, R. An fMRI Investigation of Spontaneous Mental State Inference for Moral Judgment. Journal of Cognitive Neuroscience. 21, 1396-1405 (2009).
- 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).
- 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).
- Schestatsky, P., Morales-Quezada, L., Fregni, F. Simultaneous EEG monitoring during transcranial direct current stimulation. Journal of Visualized Experiments. (76), (2013).
- 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).
- Society, A. E. Guideline thirteen: Guidelines for standard electrode position nomenclature. Journal of Clinical Neurophysiology. 1, 111-113 (1994).
- Oostenveld, R., Praamstrac, P. The five percent electrode system for high-resolution EEG and ERP measurements. Clinical Neurophysiology. 112, 713-719 (2001).
- 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).
- . L. Real-time Recording System of Visual Head 3D Positioning Information (VPen). China patent. , (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
