Yöntem makalesi

Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme Sırasında Uygulanan Nöronavigasyonlu Fokalize Transkraniyal Doğru Akım Stimülasyonu

DOI:

10.3791/67155

⸱

15 Kasım 2024

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

Bu makalede

Özet

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

Bu protokol, fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) sırasında uygulanan odak, transkraniyal doğru akım stimülasyonu (tDCS) için nöronavigasyonlu elektrot yerleştirme yöntemini tanımlar.

Özet

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

Transkraniyal doğru akım stimülasyonu (tDCS), insan beyninin uyarılabilirliği ve plastisitesinin modülasyonuna izin veren invaziv olmayan bir beyin stimülasyon tekniğidir. Odaklanmış tDCS kurulumları, sınırlı beyin bölgelerine akım akışını sınırlamak için özel elektrot düzenlemeleri kullanır. Bununla birlikte, fokalize tDCS'nin etkinliği, kafa derisindeki elektrot konumlandırma hataları nedeniyle tehlikeye girebilir ve bu da tDCS için hedef beyin bölgelerine ulaşan mevcut dozun önemli ölçüde azalmasına neden olabilir. Yapısal manyetik rezonans görüntüleme (MRI) verilerinden elde edilen bireyin kafa ve beyin anatomisine dayalı nöronavigasyon tarafından yönlendirilen elektrot yerleşimi, konumlandırma doğruluğunu artırmak için uygun olabilir.

Bu protokol, fonksiyonel MRG (fMRI) sırasında eşzamanlı uygulama için uygun olan fokalize bir tDCS kurulumu için nöronavigasyonlu elektrot yerleştirme yöntemini açıklar. Ayrıca elektrot yerleşiminin doğruluğunu ölçüyoruz ve eşzamanlı bir tDCS-fMRI deneyinde elektrot kaymasını araştırıyoruz. Kritik adımlar, bireyin kafa ve beyin anatomisini dikkate alan mevcut modellemeye dayalı elektrot pozisyonlarının optimizasyonunu, kafa derisine nöronavigasyonlu elektrot yerleşiminin uygulanmasını ve fMRI sırasında optimize edilmiş ve fokal tDCS'nin uygulanmasını içerir.

Elektrot yerleşiminin bölgesel hassasiyeti, eşzamanlı bir tDCS-fMRI çalışması sırasında gerçek elektrot konumlarından sapmalarını belirlemek için Öklid normu (L2 Nornu) kullanılarak ölçülür. Deney sırasında elektrotların herhangi bir potansiyel yer değiştirmesi (kayma), fMRI ediniminden önce ve sonra gerçek elektrot konumları karşılaştırılarak araştırılır. Ek olarak, nöronavigasyonlu tDCS'nin yerleştirme doğruluğunu, kafa derisi tabanlı bir hedefleme yaklaşımıyla (10-20 Elektroensefalografi (EEG) sistemi) elde edilenle doğrudan karşılaştırıyoruz. Bu analizler, kafa derisi bazlı elektrot yerleşimi ve 20 dakikalık bir tarama süresi boyunca ihmal edilebilir elektrot kayması ile karşılaştırıldığında nöronavigasyon için üstün yerleştirme doğruluğu göstermektedir.

Giriş

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

Transkraniyal doğru akım stimülasyonu (tDCS), deneysel ve klinik bağlamlarda biliş ve fizyolojik beyin fonksiyonlarının değiştirilmesine izin veren invaziv olmayan bir beyin stimülasyon tekniğidir 1,2,3. tDCS'nin akut uygulaması, nöronal uyarılabilirlikte geçici değişikliklere neden olabilir ve yan etkiler stimülasyondan sonra dakikalar ila saatler arasında sürebilir 4,5. Uygulanan akım, aksiyon potansiyellerini indüklemez, bunun yerine nöronun dinlenme membran potansiyelini geçici olarak ya de- ya da hiperpolarizasyona doğru kaydırır, bu da standart protokoller 4,5,6 kullanılarak makroskopik düzeyde nöronal uyarılabilirliğin artmasına veya azalmasına neden olur. Ayrıca, tDCS'nin sinaptik plastisite etkileri ile ilgili olarak, hayvan ve insan çalışmaları, tDCS'nin uzun süreli potansiyel ve depresyon (LTP ve LTD) benzeri süreçleri indüklediğini göstermiştir 4,5.

Motor sistemde, motor uyarılmış potansiyellerin (MEP'ler) modülasyonu, tDCS'nin lokal kortikal uyarılabilirlik üzerindeki nörofizyolojik etkilerinin doğrudan değerlendirilmesine izin verir7. Bununla birlikte, bu yaklaşım, tDCS'nin büyük ölçekli işlevsel beyin ağları tarafından desteklenen üst düzey bilişsel işlevler üzerindeki sinirsel etkilerini ölçemez8. Beyin ağları üzerindeki etkileri, tDCS'nin modern fonksiyonel görüntüleme teknikleriyle birleştirilmesiyle araştırılabilir 9,10. Bunlar arasında, fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) en sık kullanılan yaklaşım haline gelmiştir, çünkü tDCS'nin stimülasyon bölgesindeki yerel beyin aktivitesini ve büyük ölçekli sinir ağlarını etkilediği nöral mekanizmaları ortaya çıkarmak için mükemmel uzamsal ve yeterli zamansal çözünürlük sağlar 11,12,13,14.

Şimdiye kadar, kombine fMRI-tDCS çalışmaları esas olarak, tuzlu suya batırılmış sünger ceplere yerleştirilmiş 25 ila 35cm2 (5 x 5 cm2 ve 5 x 7 cm2) arasında nispeten büyük kauçuk elektrotlar kullanan geleneksel tDCS kurulumlarını kullanmıştır15,16. Bu kurulumlar, tipik olarak (a) tDCS için bir hedef beyin bölgesi ve (b) hedef olmayan beyin bölgeleri veya ekstrakraniyal alanlar (örneğin omuz) üzerine bir dönüş elektrodu üzerine bağlanan iki elektrot arasındaki akımı yansıtır. Bu, beyinde yaygın akım akışı ile sonuçlanır, hedef bölge dışındaki bölgeleri etkiler, böylece tDCS etkilerinin nöral kökeni hakkındaki nedensel varsayımları ve yorumlarıkarmaşıklaştırır 17.

Odaklanmış tDCS18 ile daha hassas uzamsal hedefleme elde edilebilir. Bu kurulumlar, hedef bölgeye18,19 giden akım akışını sınırlamak için birbirine yakın olarak veya bir merkez anot etrafına yerleştirilmiş halka şeklinde bir katot kullanarak düzenlenmiş daha küçük elektrot dizileri kullanır. Elektrik akımı akışının bilgisayar simülasyonları, odaklanmış tDCS'nin, hedef bölgeye giden akım akışının geleneksel montajlardan daha yüksek uzamsal hassasiyetine neden olabileceğini düşündürmektedir20. Ayrıca, davranışsal çalışmalar, odaklanmış kurulumlar kullanılarak bölgesel ve göreve özgü davranışsal modülasyonu göstermiştir 19,21,22. Bununla birlikte, sadece birkaç çalışma fMRI sırasında fokalize tDCS kullanmıştır. Bu çalışmalar, bu yaklaşımın uygulanabilirliğini ortaya koyabilmiş ve bölgeye özgü nöral modülasyon için ilk kanıtları sağlamıştır19,23.

Bununla birlikte, bölgesel olarak hassas akım iletimi nedeniyle, odaklanmış tDCS kurulumları, kafa derisindeki elektrot konumlandırma hatalarına geleneksel montajlardan daha hassas olabilir. Örneğin, Seo ve ark. fokalize bir motor korteks kurulumunda 5 mm'lik konumlandırma hatalarının el topuzundaki tepe somatik polarizasyonunu %87'ye kadar azalttığını göstermiştir24. Ayrıca, yakın zamanda yapılan bir hesaplamalı modelleme çalışması, konvansiyonel kurulumlara kıyasla fokal için amaçlanan konumlardan elektrot yer değiştirmesinin, tDCS için hedef bölgelerde %26 ila %43 arasında değişen önemli akım dozu azalmalarına yol açtığını göstermiştir25. Bu nedenle, gelecekteki çalışmaların rutin olarak elektrot konumlandırmasının iyileştirilmesi ve fMRI5 öncesi ve sonrası elektrot konumlandırmasının doğrulanması için uygun yöntemleri içermesi gerektiği sonucuna varılmıştır.

Bu çalışmada, şu anda Alman Bilim Vakfı (DFG Araştırma Birimi 5429) tarafından finanse edilen işbirlikçi bir araştırma konsorsiyumunda kullanılmakta olan yeni bir fMRI uyumlu fokal 3 x 1 tDCS kurulumu (yani, tek bir merkez anot etrafında bir daire şeklinde düzenlenmiş üç ayrı katot) için nöronavigasyonlu elektrot konumlandırma yöntemini açıklıyoruz. https://www.memoslap.de). Konsorsiyum, odaklanmış tDCS'nin öğrenme ve hafıza üzerindeki davranışsal ve sinirsel etkilerini ve dört işlevsel alanda (görsel-uzamsal, dil, motor ve yürütücü işlevler) stimülasyon tepkisinin öngörücülerini araştırır. Çalışma katılımcılarının yapısal T1 ve T2 ağırlıklı MRG verileri, temel tarama sırasında elde edilir. Bu veriler, bireysel çalışma katılımcılarında hedef bölgeye akım akışını en üst düzeye çıkaran elektrotların kafa derisi konumlarını belirlemek için kişiselleştirilmiş akım akışı simülasyonları26 için kullanılır. Örnek olarak, bu protokol, bir katılımcıda sağ dorsolateral prefrontal korteks (rDLPFC) üzerinde merkezlenmiş bireysel olarak belirlenmiş elektrot pozisyonlarının nöronavigasyonlu hedeflemesini tanımlayacaktır.

Temsili sonuçlar bölümü, Araştırma Birimi'nin üç alt projesinde eş zamanlı tDCS-fMRI'dan önce ve sonra elde edilen yapısal görüntüleme verilerine dayanmaktadır. Bu çalışmalar sağ oksipitotemporal korteks (rOTC), sol temporo-parietal korteks (lTPC) ve rDLPFC'yi hedef aldı. Veriler, Greifswald Üniversitesi Tıp Fakültesi Nöroloji Anabilim Dalı'nda elde edildi. Bu verileri kullanarak, iki ana hedefe ulaşmayı amaçladık: (1) "amaçlanan" ve ampirik olarak belirlenen "gerçek" elektrot pozisyonlarını25 karşılaştırarak nöronavigasyonlu elektrot yerleşiminin uzamsal hassasiyetini ölçmek ve (2) fMRI oturumları boyunca elektrot yer değiştirme derecesini araştırmak (yani, elektrot kayması). Bu faktörler, eşzamanlı tDCS-fMRI çalışmalarında tDCS etkilerinin doğruluğunu ve güvenilirliğini artırmak için çok önemlidir27. Ek olarak, nöronavigasyonlu tDCS'nin hedefleme doğruluğu, grubumuz25'in önceki bir tDCS-fMRI çalışmasından elde edilen veriler kullanılarak kafa derisi tabanlı bir yaklaşımınkiyle karşılaştırılır.

Protokol

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

Bu protokolde sunulan tüm deneysel prosedürler Greifswald Üniversitesi Tıp Fakültesi etik kurulu tarafından gözden geçirilmiş ve onaylanmıştır. Tüm katılımcılar, çalışmaya dahil edilmeden önce bilgilendirilmiş onam verdiler ve verilerinin anonim olarak yayınlanması için izin verdiler.

1. Kontrendikasyonların taranması ve genel hususlar

  1. Çalışmaya kaydolmadan önce, katılımcıları MRI28 ve tDCS29 kontrendikasyonları için dikkatlice tarayın (ör., kalp pilleri, klostrofobi, nöbet öyküsü, migren, kafa derisindeki cilt hastalığı [ör., sedef hastalığı / egzama]) uygun anketler kullanarak.
  2. Çalışma hedeflerini ve planlanan tüm prosedürleri katılımcılara açıklayın ve yerel gerekliliklere göre yazılı bilgilendirilmiş onam alın.
  3. Eşzamanlı tDCS-fMRI deneylerinin raporlanmasını ve tekrarlanabilirliğini iyileştirmek için genel prosedürleri izleyin ve ContES kontrol listesi30 tarafından önerildiği gibi mevcut ve/veya tDCS ekipmanı tarafından indüklenen potansiyel görüntüleme artefaktlarını test edin.
  4. Katılımcı ve araştırmacı körlemesi31,32 ve tDCS29'un potansiyel olumsuz etkilerini değerlendirmek için uygun yöntemleri kullanın.

2. Temel MRI taraması ve kişiselleştirilmiş akım modellemesi

  1. Güvenlik kontrollerini tamamladıktan sonra (örneğin, katılımcıdan madeni para, kolye, piercing vb. gibi metal nesnelerin çıkarılması), katılımcıyı tarayıcı odasına yönlendirin ve onu MRG muayene masasına rahatça yerleştirin. Kafa bobininin üst kısmını takın ve katılımcıyı üreticinin özelliklerine göre MRI tarayıcısının deliğinin içine hareket ettirin.
    NOT: 3 kanallı baş/boyun şim bobini ile donatılmış bir 64T tarayıcı kullandık.
  2. Ana Menü | Sınav | Hasta Kayıt ve gerekli alanları doldurun. Program Seçimi'ne gidin ve planlanan görüntüleme protokolünü toplayın ve seçin. Hasta yönü'ne tıklayın ve önce baş, Sırtüstü pozisyon seçeneğini seçin. Muayene bölgesi ve yanallık açılır menüsünden beyin'i seçin ve ardından muayene menüsüne gitmek için Muayene'ye tıklayın.
  3. T1 ve T2 ağırlıklı MRI dizilerini elde etmek için önceden tanımlanmış tarama protokolünün ekrandaki talimatlarını (görüş alanını ayarlama vb.) izleyin. Gerekirse tarayıcı stajyer iletişim sistemi aracılığıyla katılımcıyla etkileşim kurun.
    NOT: Kişiselleştirilmiş akım modellemesi için T1 ve T2 ağırlıklı görüntüler gereklidir. T1 ağırlıklı görüntü, katılımcıların kafa derisindeki elektrotların planlanan ve optimize edilmiş konumlarını belirlemek için nöronavigasyon için de gereklidir.
  4. Kişiselleştirilmiş akım modellemesi yapmak için komut dosyasını ve temel MRI taraması sırasında elde edilen yapısal görüntüleme verilerini https://github.com/memoslap/Greifswald kullanın (örneğin, SimNIBS26 kullanarak). Katılımcının yapısal T1 ve T2 ağırlıklı görüntülerinden oluşturulan sonlu elemanlar yöntemini ve bireyselleştirilmiş tetrahedral kafa ağlarını uygulamak için Readme.md dosyasındaki adımları izleyin (http://simnibs.org)26,33,34 CHARM aracı 35 tDCS elektrotlarının rDLPFC üzerine yerleştirilmesi için optimize edilmiş hedef konumları belirlemek üzere tepe elektrik alanını belirlemek için kafa rekonstrüksiyonu için. Bu protokol için kullanılan prosedürün sonucunun bir örneği için Şekil 1'e bakın.
    NOT: Nöronavigasyonlu hedefleme için kafa derisi koordinatlarının tanımlanması için alternatif yöntemler mümkündür ve çalışmaya özgü prosedürlere bağlıdır.

3. Nöronavigasyon

  1. Hazırlık adımları
    1. Neuronavigation kontrol bilgisayarını ve izleme sistemini açın.
    2. Montaj adımları: Nöronavigasyon için gerekli tüm ekipmanı bir araya getirin (Şekil 2; nöronavigasyon kurulumuna genel bir bakış için Ek Şekil S1'e bakın). Şekil 2'deki ekipman (1) bir konu izleyici, (2) tornavida, (3) altıgen çubuk, (4) gözlük ve (5) işaretçiden oluşur. Montajı tamamlamak için aşağıdaki talimatları izleyin.
      1. Konu izleyicinin altındaki vidayı tornavidayla gevşetin.
      2. Altıgen çubuğun uzun tarafını konu izleyiciye monte edilmiş somuna yerleştirin ve vidayı sıkın.
      3. Gözlüğün sol tarafındaki vidayı gevşetin (gözlükler sanki içinden bakıyormuş gibi konumlandırılmış durumda).
      4. Altıgen çubuğun karşı tarafını gözlüğün sol tarafına monte edilmiş somuna yerleştirin ve gözlüğün vidasını sıkın.
        NOT: Konu izleyiciyi gözlüğün sol veya sağ tarafına takma seçeneğiniz vardır. Bu seçim, katılımcının konumuna göre nöronavigasyon sisteminin kamerasının konumuna (işaretçiyi ve konu izleyiciyi tanıması gereken) göre hedef alana bağlıdır. Mevcut örnekte, izleyici sol tarafa takılmıştır, böylece izlemeyi yapan kişi izleyici ile kamera arasında durmaz.
    3. Adım 2.3'te elde edilen ilgili katılımcının yapısal T1 ağırlıklı (örneğin, bir Nörogörüntüleme Bilişim Teknolojisi Girişimi (NIfTI) dosyası olarak) aktarın. nöronavigasyon sisteminin kontrol bilgisayarına.
    4. Nöronavigasyon yazılımını açın ve Yeni Boş Proje'yi seçin.
    5. Katılımcının T1 ağırlıklı görüntüsünü yükleyin ve projeyi kaydet'i seçerek projeyi kaydedin.
    6. 3D kafa rekonstrüksiyonunu başlatmak için, uygulamanın ana penceresindeki Rekonstrüksiyonlar bölümüne gidin. Yeni'ye tıklayın... | Cilt, başka bir pencere açacaktır. İlgili düğmeye basarak cildi yeniden yapılandırın. Kafa rekonstrüksiyonunda bozulmalar gözlenirse cilt/hava eşiğini ayarlayın.
      NOT: Tüm kafanın doğru şekilde yeniden yapılandırılıp yapılandırılmadığının kontrol edilmesi önerilir. Burun ve kulakların iyi bir şekilde yeniden yapılandırılması, bir sonraki adımda açıklanan yer işaretlerini tespit etmek için önemlidir.
    7. Beş yer işaretini yapılandırın: nasion, sol ve sağ burun delikleri ve sol ve sağ preauriküler çukurlar (LPA ve RPA). Bunlar, katılımcıyı uygulamanın ana penceresinin Yer İşaretleri bölümüne kaydetmek için gereklidir (ayrıntılar için Ek Şekil S2'ye bakın).
    8. Anot konumunun x, y ve z koordinatlarını girerek (adım 2.4'te açıklanan kişiselleştirilmiş akım akışı simülasyonları tarafından sağlanır) Hedefler bölümünde rDLPFC için elektrot konumunu yapılandırın, Yeni ekle'ye tıklayın ve elektrot konumunun adı olarak Anot yazın. Üç dönüş elektrotu için prosedürü tekrarlayın.
  2. Elektrot pozisyonlarının nöronavigasyonlu tanımlanması
    1. Katılımcıyı izleme kamerasına bakan bir sandalyeye rahatça yerleştirin. Konu izleyici takılıyken gözlüğü takmasını isteyin.
    2. Katılımcılara tüm nöronavigasyon prosedürü boyunca gözlüklere dokunmamalarını söyleyin. Bu, yer işaretlerinin kesin bir şekilde kaydedilmesi ve elektrot konumlarının doğrulanması için çok önemlidir.
    3. Oturumlar sekmesine gidin ve sol köşeden Yeni açılır menüsünden Çevrimiçi Oturum'u seçin. Polaris sekmesini seçin ve konu izleyiciyi ve işaretçiyi kamera görüş alanına taşıyarak görünürlüğünü doğrulayın. İlgili kırmızı çarpılar Araçlar panelindeki (uygulama penceresinin sol tarafı) yeşil onay işaretlerine dönüştüğünde her iki cihaz da doğru şekilde tanınır.
    4. Önceden tanımlanmış beş yer işaretini kaydetmek için Kayıt bölümünü seçin. Sensörler kameraya bakacak şekilde işaretçiyi katılımcının kafasına dik olarak yerleştirerek ilgili yer işaretini bulun. Ardından, konumu onaylamak için nöronavigasyon sisteminin ayak pedalına basın. Her yer işaretinin adının önünde yeşil bir onay işareti göründüğünden emin olun.
    5. Doğrulama bölümüne gidin ve işaretçinin ucunu kayıtlı yer işaretlerinin üzerine getirerek yer işaretlerini doğrulayın ve iki mesafe indeksini kontrol edin; İlk indeks, artı işareti (sanal işaretçi ucu) ile kayıtlı yer işareti arasındaki mesafeyi gösterir, ikinci indeks, artı işareti ile yeniden yapılandırılmış cilt arasındaki mesafeyi gösterir.
      NOT: Nöronavigasyon sisteminin varsayılan parametrelerini kullanırken, 5 mm'nin altındaki indeksler, doğrulama adımını geçmek için yeterli hassasiyeti gösterir. Bu, birçok deneysel bağlam için kabul edilebilir. Bununla birlikte, bu protokolde kullanılan optimize edilmiş odak kurulumu nedeniyle, elektrotların doğrulanması yalnızca amaçlanan koordinatlardan sapma 1 mm'den azsa kabul edilir (bkz. Şekil 3).
    6. İmleci katılımcının kafa derisinin üzerine getirin ve nöronavigasyon monitöründe yeniden yapılandırılmış kafa derisinin artı işaretlerini kontrol edin. Artı işareti, yeniden yapılandırılmış kafa derisine nüfuz etmeden veya üzerinde bir boşluk oluşturmadan aynı hizada kalırsa, bir sonraki adımı atlamak tavsiye edilmese de kabul edilebilir.
    7. En solda, en sağda, en üstte, en arkada ve en önde konumlar dahil olmak üzere uç nokta konumlarının etrafındaki ek noktaları örnekleyin. Bunu yapmak için, her konum için iyileştirme yer işaretleri panelindeki Ekle düğmesini tıklatın. Ardından, işaretçiyi başın hedef yüzeyine yerleştirin, işaretçinin ucunun kafa derisine hafifçe temas ettiğinden emin olun ve konumu kaydetmek için pedala basın. Artı işareti ile yeniden yapılandırılmış cilt arasındaki mesafe mümkün olduğunca düşük olana kadar bu işlemi tekrarlayın.
      NOT: Farklı nöronavigasyon sistemleri bu sürece atıfta bulunmak için farklı terminoloji kullanabilir (örneğin, yüzey kaydı).
    8. Gerçekleştir bölümünü seçin ve merkez anotun konumunu bulmak için işaretçiyi DLPFC'nin yaklaşık konumuna getirin (Şekil 1D'de verilen koordinatlara göre). İşaretçiyi hareket ettirirken, aynı anda ekranı gözlemleyin. İşaretçinin ucu ekrandaki yeşil artı işaretinin merkeziyle hizalandığında elektrotların konumlarını işaretleyin.
    9. Katılımcının saçını kafa derisindeki ilgili alandan uzaklaştırın ve pozisyonları bir cilt kalemi/kalemi ile işaretleyin
      10. . Üç katotun pozisyonları için işlemi tekrarlayın (bkz. Şekil 1D).
    10. tDCS-fMRI sırasında kafa derisindeki fiziksel hisleri azaltmak için elektrotların amaçlanan pozisyonlarına az miktarda topikal anestezik krem uygulayın.
      NOT: Kremin uygulanması ile tDCS'nin başlatılması arasında en az 20 dakika geçtiğinden emin olun.

4. tDCS-fMRI

  1. Eşzamanlı tDCS-fMRI için hazırlık
    1. Çok kanallı doğru akım (DC) stimülatörü ile odak 3 x 1 tDCS hazırlayın.
    2. Çok kanallı DC stimülatörü36 normal (pilsiz) modda kullanın. Gelişmiş sinyal-gürültü oranı ve görüntüleme artefaktlarını azaltmak için stimülatörün elektrik fişini tarayıcıyla aynı anahtarlı uzatma kablosuna takın (ayrıca üreticinin teknik özelliklerindeki notlara da bakın).
    3. Gerekli tüm stimülasyonla ilgili malzemelerin mevcut ve temiz olduğundan emin olun (Şekil 4). Kauçuk elektrotların ve 3D şablonların önceki deneysel oturumlardan herhangi bir macun içermemesine özellikle dikkat edin.
      NOT: Bu projede kullanılan kurulum, Araştırma Biriminin özel gereksinimlerini karşılamak için DC stimülatörünün üreticisi ile işbirliği içinde geliştirilen özelleştirilmiş elektrotlar ve filtre kutuları kullanır (bkz. Şekil 4A). Bununla birlikte, standart MRG uyumlu bileşenler de kullanılabilir.
      1. Elektrotları kafa derisine takmadan önce iletken elektrot macunu uygulamasını standartlaştırmak için 3D baskılı (termoplastik) bir elektrot macunu doldurma yardımcısı kullanın (Şekil 4A (9),B).
      2. Elektrotları kafa derisine yerleştirmek için 3D baskılı (termoplastik) bir ara parça kullanın ve fMRI-tDCS seansları sırasında anot ile katotlar arasındaki mesafelerin korunduğundan emin olun (Şekil 4A (10),C).
        NOT: 3D özelleştirilmiş şablonlara aşağıdaki bağlantı kullanılarak erişilebilir: https://github.com/memoslap/Material
    4. DC stimülatörünü kurmak için DC stimülatörünü dış kutuya bağlayın (dış kutu kablosunu ve adaptörü kullanarak). İç kutu kablosunu iç ve dış kutuya bağlayın (bkz. Şekil 4).
    5. focal-tDCS 3x1 kurulumunun tüm elektrotlarının yüzeyine 1 mm iletken macun eşit şekilde uygulayın. Macun kalınlığını standartlaştırmak için elektrot doldurma yardımcısını kullanın. Elektrotun sadece yüzeyini macunla kaplayın ve ilave macunları çıkarın.
    6. DC stimülatörünü ve Panel PC'yi açın (verilen sırayla). Masaüstündeki DC-Stimulator MC simgesine çift tıklayın. Seçilen dizi kurulumu açılır menüsünde gerekli stimülasyon dizisini seçin. Stimülatörü elektrik yükü olmadan kalibre etmek için stimülatörü kalibre et düğmesine tıklayın (yani, katılımcı stimülatöre bağlı değil).
      DİKKAT: Katılımcı kalibrasyon sırasında stimülatöre bağlanırsa, elektrik akımı ağrılı hislere neden olabilir.
    7. Katılımcıyı MRI tarayıcı odasının dışındaki DC stimülatörünün yanına rahatça yerleştirin.
    8. tDCS-fMRI seansı sırasında elektrotları yerinde tutmak için EEG başlığının en uygun boyutunu seçmek için alından (kaşların hemen üstünden) başın arkasındaki oksipital kemiğe kadar katılımcının başının en geniş kısmını belirleyin.
    9. Katotların merkez anot etrafında eşit aralıklarla yerleştirilmesini sağlamak için elektrotları ara parçaya yerleştirin ve elektrotları belirlenen ve işaretlenmiş kafa derisi konumlarının üzerine takın.
    10. tDCS-fMRI sırasında elektrotları yerinde tutmak için plastik ekler olmadan en uygun boyutta EEG kapağını kullanın.
      NOT: Kapak yerine takılıyken elektrotların yer değiştirmediğinden emin olun.
    11. Empedans kontrolü yapmak için elektrot kablolarının uçlarını DC stimülatörünün iç kutusuna bağlayın. Seçilen dizi kurulumu açılır menüsünde gerekli stimülasyon dizisini seçin. DC stimülatöründeki empedans kontrol düğmesine basarak empedans kontrolünü başlatın. MR modunun işaretli olduğundan emin olun.
    12. Stimülatör arayüzündeki ilgili düğmeye basarak Empedans Kontrolünü gerçekleştirin; empedans ≤25 kΩ ise, bir sonraki adıma geçin (4.1.13). Herhangi bir elektrot için empedans daha yüksekse, elektrotları kafa derisine yumuşak bir şekilde bastırın, kapağı sıkın ve iletken macunun ısınmasına izin verin. Gerekirse, daha fazla macun uygulayın.
    13. İç kutuyu dış kutudan ayırın ve dış kutuyu tarayıcının dalga kılavuzuna yerleştirin.
    14. İç kutuya ve bağlı elektrot kablolarına tutunarak katılımcıyı tarayıcı odasına yönlendirin.
      NOT: Herhangi bir zamanda, kablolar üzerinde elektrotun yer değiştirmesine neden olabilecek herhangi bir gerilim olmamasına büyük özen gösterin.
    15. Katılımcıdan MRI muayene masasına oturmasını ve iç kutuyu dış kutuya (tarayıcının dalga kılavuzuna yerleştirilen) yeniden bağlamasını isteyin.
    16. Katılımcıyı, başı açık kafa bobinine yerleştirilecek şekilde MRI muayene masasına sırtüstü pozisyonda rahatça yerleştirin. Başın her iki yanında şişirilebilir yastıklar ve sabitlemek için başın üstünde ekstra bir yastık kullanın.
      NOT: Köpük yastıklar yerleştirildiğinde elektrotun yer değiştirmesini önlemek için köpük yastıkların yanlarında şişirilebilir yastıklar tercih edilir.
    17. Kafa bobininin üst kısmını takmadan ve yerine kilitlemeden önce elektrot kablolarını kafa bobininin alt kısmından geçirin.
    18. İç kutuyu MRI inceleme masasındaki katılımcının yanına yerleştirin ve katılımcıyı tarayıcı deliğine taşıyın.
    19. Tarayıcı odasından çıkın ve her yapısal ve işlevsel görüntüleme sekansından önce ve ayrıca tarayıcı içindeki ikinci empedans kontrolünden önce tarayıcının iletişim arayüzü aracılığıyla katılımcıyı yaklaşan prosedürler hakkında bilgilendirin.
  2. Eşzamanlı tDCS-fMRI
    1. Tarayıcı Panel PC'de, Ana Menü | Sınav | Hasta Kayıt ve gerekli gerekli alanları doldurun. Program Seçimi'ne gidin ve planlanan görüntüleme protokolünü toplayın ve seçin. Hasta yönü'ne tıklayın ve önce baş, Sırtüstü pozisyon seçeneğini seçin. Muayene bölgesi ve lateralite açılır menüsünden beyni'ni seçin ve muayene menüsüne gitmek için Muayene'ye tıklayın.
    2. Planlanan taramaları (fMRI öncesi, Radyal Edinim ile Noktasal Kodlama Süresi azaltma (PETRA), fMRI, fMRI sonrası, PETRA sonrası) bu protokolün aşağıdaki adımlarında gösterilen sırayla almak için ekrandaki talimatları izleyin.
      1. Katılımcının kafasındaki elektrot konumlarının doğrulanmasına izin veren bir PETRA taraması edinin.
      2. Katılımcıya, 10 dakikalık iki dinlenme durumu fMRI taramasının yapılacağını ve tarama süresinin tamamı boyunca (2 x 10 dakika) bakışlarını bir sabitleme haçında (bir projektör ve kafa bobinine monte edilmiş aynalar aracılığıyla görüntülenir) tutması gerektiğini bildirin.
      3. Panel PC üzerindeki init stimülasyon düğmesine basarak tDCS stimülasyonunu başlatın. Fonksiyonel görüntüleme sekanslarına başlamadan önce stimülasyonu 10 s'lik bir artışla başlatmak için serbest bırakma başlatma tetik düğmesine tıklayın. tDCS'yi 2 mA ile 20 dakika boyunca uygulayın.
        NOT: Farklı rampa periyotlarına veya stimülasyon yoğunluklarına veya sürelerine sahip diğer stimülasyon protokolleri mümkündür.
      4. Fonksiyonel taramaların ve stimülasyon süresinin sona ermesinden sonra, elektrotlar hala katılımcının kafasına takılıyken ikinci bir PETRA taraması yapın.
        NOT: fMRI öncesi PETRA taraması ile karşılaştırıldığında, bu, tDCS-fMRI deneyi boyunca potansiyel elektrot hareketinin (yani kayma) belirlenmesine izin verir.
    3. MRI oturumunun tamamlanmasının ardından, elektrot kablolarını dış kutudan ayırın ve DC stimülatörünü kapatın, katılımcıyı tarayıcı deliğinden çıkarın, katılımcının kafasından kapağı çıkarın ve elektrotları çıkarın.
    4. Katılımcının kafa derisini, stimülasyonun neden olduğu potansiyel cilt kızarıklığı açısından inceleyin. Elektrotların yerleştirildiği katılımcının kafa derisini temizleyin.
    5. Deneyin sonunda, katılımcıdan tDCS yan etkileri29 ve kör edici31,32 anketlerini doldurmasını isteyin.

Sonuçlar

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

43 sağlıklı genç katılımcıdan (20 erkek / 23 kadın, 24.74 ± 5.50 yaş) elde edilen veriler dahil edildi. Katılımcılar dört adede kadar fMRI seansını tamamladılar. Elektrotların nöronavigasyonlu yerleştirilmesi her fMRI seansından önce yapıldı. Toplamda, merkez anotların fMRI öncesi ve sonrası pozisyonlarını temsil eden 338 veri seti veri analizlerine dahil edildi.

Elektrotların amaçlanan pozisyonlarını belirlemek için, ayrı bir MRI oturumunda (fMRI oturumlarından önce) elde edilen yapısal MRG verileri kullanılarak bireyselleştirilmiş akım modellemesi yapıldı. Mevcut modelleme, rDLPFC (N = 19, katılımcı/N = 137 veri noktası), rOTC (N = 12/104) veya lTPJ'ye (N = 12/97) giden akım akışını en üst düzeye çıkarmak için 3 x 1 kurulumlarının kafa derisi konumlarını optimize etmeyi amaçladı. 3 x 1 kurulumlarının merkez anotlarının gerçek konumları, her fMRI oturumundan önce ve sonra elde edilen yapısal MRI verileri (PETRA görüntüleri) kullanılarak ampirik olarak belirlendi (Not: Hedefleme için koordinatlar konu alanında verilmiştir. Bu nedenle, bireysel katılımcıların PETRA taramaları, saha simülasyonlarının dayandığı temel tarama sırasında elde edilen kendi T1 ağırlıklı görüntüleri ile birlikte kaydedildi). Elektrot pozisyonlarının 3D olarak tanımlanması hatalara açık olduğundan, merkez anotların altı kenar noktasını belirlemek için elektrotlarla yeniden yapılandırılmış kafa derisinin modifiye edilmiş bir 2D "gözleme" görünümü kullanıldı (bkz. Şekil 537,38). Daha sonra, her fMRI seansı ve zaman noktası (yani, tDCS'den önce veya sonra) için anotların merkez koordinatlarını elde etmek için kütle merkezi hesaplandı. Daha sonra, 3B uzayda elektrot koordinatlarını elde etmek için ters bir 2B>3B dönüşümü uygulandı.

Nöronavigasyonlu elektrot yerleşiminin uzamsal hassasiyeti, "amaçlanan" ve "gerçek" elektrot pozisyonları25 karşılaştırılarak araştırıldı ve L2 Normu (Öklid normu) mesafesi39 olarak rapor edildi. L2 Normu, vektör bileşenlerinin karelerinin toplamının karekökü olarak hesaplanan standart bir vektör normudur. Amaçlanan ve gerçek koordinatlar arasındaki fark, tüm vektör bileşenlerinin, yani 3B uzayın her bir boyutunun (x/y/z) farkı ile hesaplanır. Deney boyunca elektrot yer değiştirmesi (yani kayma), fMRI'dan önce ve sonra belirlenen gerçek elektrot konumları karşılaştırılarak araştırıldı.

Ek olarak, nöronavigasyonlu elektrot yerleşimi için hedefleme doğruluğunu, kafa derisi tabanlı bir hedefleme yaklaşımı (10-20 EEG sistemi25) kullanan grubumuzun önceki bir çalışmasından elde edilen verilerle karşılaştırdık. Bu çalışma, 60 katılımcıdan (31 erkek/29 kadın, 22.17 ± 2.33 yaş), iki hedef bölgeden (N = 30/30, motor korteks/inferior frontal girus) ve toplam 240 veri noktası için iki fMRI oturumundan elde edilen verileri içermektedir. Tüm analizler için kullanılan veriler ve kodlar https://github.com/LawsOfForm/VerFlu_Simulation_Niemann_2023'da herkese açıktır.

(a) gerçek elektrot konumlarının amaçlanan konumlardan sapmasını ve (b) fMRI oturumu boyunca sürüklenmeyi aşağıdaki formül ve bağımlı değişken olarak L² Normu ile analiz etmek için doğrusal karma modeller kullanıldı:

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

yij, konu j'nin POSITION i'de amaçlanan ve gerçek elektrot konumları arasındaki L2 Norm mesafesidir. β0 sabit etki kesişimidir, X1 , konu j'deki konum i'deki POSITION (1: amaçlanan, 2: gerçek pre-fMRI; 3: post-fMRI) değeridir. X2 , konu j'deki bölge i'deki ilgilenilen BÖLGE (1: lTPC, 2: rDLPFC, 3:rOTC) değeridir. X3 , konum ve bölge i ve konu j için POSITION ve REGION etkileşiminin değeridir, u0 , j konusu için rastgele kesişim noktasıdır (μ0j ~ N(0, τ002)); εij , j konusundaki i zaman noktası için artıklardır (εij ~ N(0,σ2)).

Nöronavigasyonlu ve kafa derisi bazlı elektrot yerleşimi için hedefleme doğruluğunun karşılaştırılması, ilgili gruplardaki amaçlanan ve gerçek pozisyonlar arasındaki L2 Norm farklılıklarına dayalı bir t-testi kullanılarak yapıldı.

Deney boyunca nöronavigasyonlu yerleştirme doğruluğu ve yer değiştirme


figure-results-1

figure-results-2

figure-results-3

figure-results-4

figure-results-5

figure-results-6

figure-results-7

Tartışma

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

Yöntemin kritik adımları, olası değişiklikleri ve sorun giderme
Elektrotların doğru konumlandırılması, tDCS deneylerinde çok önemli bir teknik faktördür ve amaçlanan kafa derisi konumlarından sapmalar veya elektrot kayması, amaçlanan hedef beyin bölgelerine akım akışını etkileyebilir42,43. Bu, özellikle odaklanmış tDCS için geçerlidir, çünkü uygulanan akımın bölgesel özgüllüğü, bu kurulumları konumlandırma hatalarının(5,25) etkilerine karşı özellikle hassas hale getirir. Mevcut protokolde, fMRI sırasında uygulanan ve bireysel olarak belirlenen kafa derisi pozisyonlarının yerleştirme doğruluğunu artırmayı amaçlayan nöronavigasyonlu, fokalize tDCS yöntemini tanımladık. Kritik adımlar arasında (1) her çalışma katılımcısı için 3 x 1 kurulumunun kafa derisi konumunu optimize etmek için elektrik akımı akış modellemesinin kullanılması, (2) nöronavigasyon ile optimize edilmiş kafa derisi konumlarının belirlenmesi, (3) standart prosedürler kullanılarak elektrotların kafa derisi üzerinde konumlandırılması ve sabitlenmesi ve (4) eşzamanlı tDCS-fMRI öncesi ve sonrası yerleştirme doğruluğu ve elektrot kaymasının araştırılması.

Protokolümüzün ilk adımı, bireyselleştirilmiş akım modellemesi yoluyla devam eden Araştırma Birimimizin (RU) bireysel bir çalışma katılımcısı için elektrot konumlarının optimizasyonunu açıklar (optimizasyonu yeniden oluşturmak için kod burada bulunabilir https://github.com/memoslap/SimNIBS_Optimization). Bu yaklaşım, RU projelerine oldukça özgüdür ve burada bildirilmeyen iki hazırlık adımını içerir: (1) Aynı/benzer motor veya bilişsel görevleri kullanan fMRI ve/veya tDCS çalışmalarına dayalı sekiz ampirik RU projesi (www.memoslap.de) için anatomik hedef bölgelerin tanımı; (2) merkez anot ile çevreleyen katotlar arasındaki boşluğu ayarlayarak projeler arasında ortalama akım dozunun eşitlenmesi. Bu, elektrotların projeye özgü aralığını belirlemek için grubumuzun kullanabileceği bir hesaplamalı modelleme çalışmasını ve yapısal görüntüleme verilerini içeriyordu. Bu projeye özel montajlar daha sonra, ilgili hedef bölgelerde maksimum akım yoğunluğu elde etmek için RU projelerindeki bireysel katılımcılar için kafa derisi pozisyonlarını optimize etmek için kullanıldı (bu protokolde: sağ DLPFC). Özellikle, istenen kafa derisi pozisyonlarını belirlemenin birçok olası yolu vardır ve bunlar çalışmanın hedeflerine bağlıdır (yani, bölgesel veya doz kontrolü, anatomik veya fonksiyonel hedefleme).

Benzer şekilde, nöronavigasyonlu yerleştirme ve bir tDCS-fMRI çalışması yürütmek için kullanılabilecek bir dizi farklı ticari olarak temin edilebilen nöronavigasyon cihazı ve DC stimülatörü vardır. Sonuç olarak, farklı üreticilerin ekipmanı kullanılıyorsa veya tDCS-fMRI farklı bir tarayıcı tipi ile yürütülüyorsa, bu protokolde belirtilen prosedürlerde değişiklik yapılması gerekecektir. Bununla birlikte, protokolün çalışmaya özgü gereksinimleri karşılamak için esnek bir şekilde uyarlanabileceğine inanıyoruz. Örneğin, 3 x 1 kurulumlar için, yerleştirme ve tarama sırasında elektrotlar arasında istenen mesafenin elde edilmesini ve korunmasını sağlamak için 3D baskılı bir ara parça kullanmanızı öneririz. İletken macun miktarının standardizasyonu, bu protokolde tarif edildiği gibi bir elektrot doldurma yardımcısı kullanılarak sağlanabilir. Özelleştirmeye izin vermek için, yazdırma için kullanılan 3D modeller herkese açık hale getirilmiştir (bkz. protokol adımı 4.1.3.2).

Tarayıcı içi tDCS fMRI deneylerinin karmaşıklığı, katılımcıların kafalarına bağlı elektrotlara geçmelerini gerektiren bir diğer önemli husustur. Bu çalışmalar, hassas konumlandırma ile bile daha sonra elektrot yer değiştirmesi için önemli bir risk taşır5. Bu nedenle, elektrot yer değiştirmesini ve kaymasını en aza indirmek için rutin olarak uygun yöntemlerin uygulanmasını öneririz (örneğin, MRI tarayıcısı içindeki elektrotların yer değiştirmesini önlemek için standart MRI uyumlu şişirilebilir yastıklar, elektrotları yerinde tutmak için EEG kapakları veya konturlu kayışlar ve yukarıdaki protokolde ayrıntılı olarak açıklanan diğer önlemler).

Son olarak, davranışsal tDCS çalışmalarıyla karşılaştırıldığında, fMRI sırasında tDCS'nin uygulanması, elektrotların kafa derisi üzerindeki kesin konumlarının doğrulanmasına (3D yapısal MRI görüntülerine dayanarak) ve amaçlanan konumlardan potansiyel sapmaların ölçülmesine olanak tanır. Bununla birlikte, elektrot konumlarının 3D olarak tanımlanması hatalara eğilimlidir. Bu nedenle, gerçek elektrot konumlarının doğrulanmasını kolaylaştırmak için kafa derisinin ve elektrotların 2D dönüşümünü öneriyoruz. Bununla birlikte, bu yeni yaklaşımı doğrulamak ve sonuçları 3D görüntülerden elde edilen verilerle karşılaştırmak için gelecekteki çalışmalara ihtiyaç vardır.

Yöntemin mevcut diğer yöntemlere göre önemi
Kafa derisi tabanlı hedefleme yaklaşımları (örneğin, 10-20 EEG sistemi44) bugüne kadar tDCS araştırmalarının çoğunda kullanılmıştır. Bu, anatomik yer işaretlerinin manuel veya otomatik olarak tanımlanmasını ve elektrotların amaçlanan kafa derisi konumlarını belirlemek için ek ölçümleri (örneğin, baş çevresi, yer işaretleri arasındaki kesişimlerin hesaplanması) içerir. Bu yaklaşım, bireysel katılımcıların kafa büyüklüğünü bir dereceye kadar açıklarken, beyin ve kafatası morfolojisinin diğer özelliklerini ihmal ederek doğruluk kaybına neden olur 5,41,45. MRG kılavuzluğunda nöronavigasyon ile elde edilebilecek gelişmiş hassasiyet, bu protokolün temsili sonuçlar bölümünde gösterilmektedir. Burada, devam eden çok merkezli bir tDCS-fMRI çalışmasından elde edilen verileri kullanarak nöronavigasyonlu hedeflemenin hassasiyetini ölçtük ve nöronavigasyonlu hedeflemenin yerleştirme doğruluğunu kafa derisi tabanlı bir yaklaşımla retrospektif olarak karşılaştırdık. Ek olarak, fMRI sırasında elektrot yer değiştirme derecesini araştırdık. Bu protokolün ampirik kısmının ana sonuçları şunlardı: (1) nöronavigasyonlu hedefleme, L2 Normasına dayalı olarak yaklaşık% 40 daha yüksek hassasiyetle kafa derisi tabanlı elektrot yerleştirmeden daha üstündür; ve (2) fMRI oturumları boyunca elektrotların minimum düzeyde kayması vardı, bu da elektrotları yerinde tutmak için uygulanan teknik ve prosedürel adımların (yani kapak, ara parça, şişirilebilir yastıklar) başarılı olduğunu vurguladı.

Yöntemin sınırlamaları ve gelecekteki uygulamaları
Bu protokolde açıklanan yaklaşımı kullanmak için birkaç sınırlayıcı faktör vardır. Örneğin, hesaplamalı modelleme, nöronavigasyonlu hedefleme ve elektrotların doğrulanması ile amaçlanan elektrot konumlarının optimizasyonu, yapısal MRI verilerine, özel teknik uzmanlığa ve mevcut olmayabilecek maliyetli ekipmanlara erişim gerektirir. Bu nedenle, bu yaklaşım, mevcut sunumun yüksek uzamsal hassasiyetini gerektiren çalışmaları gerçekleştiren özel araştırma merkezleriyle sınırlıdır (örneğin, nedensel beyin-davranış ilişkilerini araştıran nörotipik popülasyonlarda deneysel çalışmalar veya doz-yanıt ilişkilerini araştıran hesaplamalı modelleme çalışmaları). Bu bağlamda, bu protokolde açıklanan yöntemlerin klinik popülasyonlara uygulanmasında göz önünde bulundurulması gereken, kafa cerrahisi veya ilerleyici lezyonları olan hastalarda MRG tabanlı güncel modellemenin geçerliliğinin azalabileceğini belirtmekte fayda var.

Ek olarak, bu protokolde hesaplamalı modelleme ve nöronavigasyonlu yerleştirme ile elektrot pozisyonlarının optimizasyonu, anatomik hassasiyeti en üst düzeye çıkarmayı amaçlamaktadır. Yukarıda bahsedildiği gibi, bireyselleştirilmiş hedeflemenin başka yolları da mümkündür (belirli klinik popülasyonlarla sınırlı invaziv yaklaşımlar dahil46) ve anatomik kesinlik, uyarılan alanın işlevsel uygunluğu anlamına gelmez. Sonuncusu, nöronavigasyonlu hedefleme için işlevsel olarak ilgili beyin bölgelerini tanımlamak için tDCS-fMRI'den önce edinilen bir yerelleştirici görevi (bireysel katılımcı veya grup düzeyinde) gerektirecektir. Ek olarak, gelecekteki araştırmaların, fokal ve konvansiyonel montajlar arasındaki etkilerin doğrudan karşılaştırılması da dahil olmak üzere, elektrot yer değiştirmesinin davranışsal ve nöral işlevler üzerindeki işlevsel önemini belirlemesi gerekmektedir.

Bilgisayar simülasyonlarının, MRG'den elde edilen (yarı) otomatik doku segmentasyonlarının anatomik hassasiyetine dayandığı ve çeşitli doku sınıflarının elektriksel iletkenliği hakkındaki varsayımlara dayanarak elektrik alanını tahmin ettiğiunutulmamalıdır 5,47. Bu nedenle, hesaplama modellerinin doğruluğunu artırmak için bu varsayımları doğrulamak ve segmentasyon doğruluğunu değerlendirmek önemlidir. Bu bağlamda, eşzamanlı tDCS-MRI ölçümleri sırasında beyin dokusunun tDCS ile indüklenen akım akış iletkenliğini incelemek için yeni yöntemler arasında Manyetik Rezonans Akım Yoğunluğu Görüntüleme (MRCDI) ve Manyetik Rezonans Elektriksel Empedans Tomografisi (MREIT)5,48,49 bulunmaktadır. Bu yaklaşımlar, tDCS elektrik alanı simülasyonlarını doğrulama ve kişiselleştirilmiş akım dozu hesaplamalarını optimize etme potansiyeline sahiptir. Bu tür optimize edilmiş hesaplamalı modelleme yaklaşımlarını nöronavigasyonlu tDCS ile birleştirmek, yakın gelecekte deneysel ve klinik bağlamlarda tDCS'nin hassasiyetini ve etkinliğini artıracaktır.

Açıklamalar

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

MAN, Neuroelectrics ve Précis'in bilimsel danışma kurullarında yer almaktadır. AH kısmen neuroConn GmbH tarafından istihdam edilmektedir. Diğer yazarların beyan edebilecekleri herhangi bir çıkar çatışması yoktur.

Teşekkürler

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

Bu araştırma Alman Araştırma Vakfı tarafından finanse edilmiştir (proje hibeleri: FL 379/26-1; ME 3161/3-1; CRC INST 276/741-2 ve 292/155-1, Araştırma Birimi 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, Lundbeck Vakfı tarafından desteklenmiştir (hibe R313-2019-622). Sophie Dabelstein ve Kira Hering'e veri çıkarma konusundaki yardımları için teşekkür ederiz.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Brainsight nöronavigasyon sistemiBrainsight; Rogue Araştırma A.Ş., Montré al, Kanada
CR-5 Pro yüksek sıcaklık 3D yazıcı CREALITY, Shenzhen, Çin
DC-STIMÜLATÖR MCNeuroConn GmbH, Ilmenau, Almanyahttps://www.neurocaregroup.com/technology/dc-stimulator-mc
EMLA Krem %5Aspen, Dublin, İrlanda
MAGNETOM Vida 3T, syngo_MR_XA50 yazılımıSiemens Healthineers AG, Forchheim, Almanya
Polaris kameraPolaris Vicra; Northern Digital Inc., Waterloo, Kanada
Ten20 iletken EEG macunuWeaver and Company, Aurora, ABD
TPU 3D yazıcı filamentiSUNLU International, Hong-Kong, Çin
Alternatif örneği
Ingenia 3.0T (MR tarayıcı)Phillips, Amsterdam, Hollanda
Localite TMS Navigator (Nöronavigasyon ekipmanı)Localite, Bonn, Almanya
Neural Navigator (Nöronavigasyon ekipmanı)Soterix, New Jersey, ABD
PEBA 3D yazıcı filamentiKimya, Nantes, Fransa
PLA 3D yazıcı filamentiFilamentworld, Neu-Ulm, Deutschland
StarStim (StimülatörNöroelektrik, Barselona, İspanya

Kaynaklar

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

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

N ronavigasyonlu Elektrot Yerle imiOdaklanm tDCSElektrot Yerle im Do rulu uAk m Ak ModellemesiElektrot KaymasDinlenme Durumu fMRIDorsolateral Prefrontal KorteksEEG Ba l

İlgili makaleler