使用具有高清晰度颅内直接电流刺激的 3D 数字化仪确定刺激位置

Neuroscience

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Summary

这里介绍的是一个协议,以实现更高的精度,在确定刺激位置结合3D数字化仪与高清颅内直流刺激。

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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).

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Abstract

丰富的神经成像数据和机器学习的快速发展使得研究大脑激活模式成为可能。然而,导致行为的大脑区域激活的因果证据往往缺失。颅内直接电流刺激(tDCS),可以暂时改变大脑皮质兴奋性和活性,是一种非侵入性的神经生理学工具,用于研究人脑中的因果关系。与传统的tDCS相比,高清晰度颅内直流刺激(HD-tDCS)是一种非侵入性脑刺激(NIBS)技术,产生更多的焦电流。传统上,刺激位置是通过10-20脑电图系统大致确定的,因为确定精确的刺激点可能很困难。该协议使用带有 HD-tDCS 的 3D 数字化仪来提高确定刺激点的精度。使用 3D 数字化仪演示了该方法,以便更准确地定位右侧节拍-端点 (rTPJ) 中的刺激点。

Introduction

颅内直流刺激(tDCS)是一种非侵入性技术,可调节头皮上弱直流的皮质兴奋性。它的目的是确定神经兴奋性与健康人的行为之间的因果关系1,2,3。此外,作为一种运动神经修复工具,tDCS广泛用于治疗帕金森病、中风和脑瘫4。现有证据表明,传统的基于垫的tDCS通过一个相对较大的大脑区域5,6,7产生电流。高清晰度颅内直流刺激(HD-tDCS),中心环电极位于目标皮质区域上,由四个返回电极8、9包围,通过四环区域5、10增加焦距。此外,HD-tDCS引起的大脑兴奋性变化比传统的tDCS7、11产生的变化幅度更大,持续时间更长。因此,HD-tDCS在研究7、11中得到了广泛的应用。

非侵入性脑刺激(NIBS)需要专门的方法,以确保一个刺激位点存在于标准的MNI和Talairach系统12。神经导航是一种技术,允许映射颅内刺激和人脑之间的相互作用。其可视化和3D图像数据用于精确刺激。在tDCS和HD-tDCS中,头皮上刺激部位的常见评估通常是EEG 10-20系统13,14。该测量广泛用于在初始阶段13、14、15中放置tDCS垫片和光片支架,用于功能性近红外光谱(fNIRS)。

在使用 10-20 系统时确定精确的刺激点可能很困难(例如,在节拍-波天交点 [TPJ]中)。解决这个问题的最好办法是使用磁共振成像(MRI)从参与者那里获得结构图像,然后通过使用数字化产品15将目标点与其结构图像进行匹配,从而获得精确的探针位置。MRI提供了良好的空间分辨率,但使用15,16,17是昂贵的。此外,一些参与者(例如,那些植入金属的人、幽闭恐惧症患者、孕妇等)不能接受MRI扫描仪。因此,非常需要一种方便、有效的方法来克服上述限制,提高确定刺激点的准确性。

该协议使用 3D 数字化仪来克服这些限制。与 MRI 相比,3D 数字化仪的主要优点是成本低、应用简单和便携性。它将个人的五个参考点(即Cz、Fpz、Oz、左前视点和右前视点)与目标刺激点的位置信息相结合。然后,它在受试者的头部产生电极的3D位置,并通过配合结构图像12、15中的大量数据来估计其皮质位置。这种概率配准方法能够在MNI坐标系中显示颅内映射数据,而无需记录主体的磁共振图像。该方法产生解剖自动标签和布罗德曼区域11。

3D数字化仪,用于根据结构图像的数据标记空间坐标,首先用于确定fNIRS研究中光子的位置对于使用 HD-tDCS 的用户,3D 数字化仪可打破 EEG 10-20 系统的有限刺激点。四个回归电极和中心电极的距离是灵活的,可以根据需要进行调整。当使用3D数字化仪与该协议时,获得rTPJ的坐标,这超出了10-20系统。还显示了靶向和刺激人脑右节拍-腹腔结 (rTPJ) 的程序。

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Protocol

该协议符合西南大学机构审查委员会的指导方针。

1. 确定刺激位置

  1. 审查文献并确认刺激位置(此处,rTPJ)19,20,21

2. 电极保持盖的准备

:以下步骤如图1所示。

  1. 确保所有必要的材料都随时可用:3D数字化仪(图2),标准测量胶带,打标笔,头形和游泳帽。
  2. 将盖放在头部形状上,并在盖上标记点。
    1. 本地化顶点 (Cz)。为此,首先使用皮肤标记13、14、22标记nasion和inion之间的距离的中点。然后,测量预视点之间的距离并标记中点。两个点相交的点是 Cz。
    2. 检查中心电极和回归电极的位置。在这里,该刺激应用于rTPJ。rTPJ 大致对应于 10-10 EEG 系统19、20、21中 CP6 和 P6 之间的中点。
    3. 查找 CP6 和 P622、23、2425。根据 10-10 系统的比例要求,在头皮上定位 rTPJ 的大致位置并将其标记在盖上。
    4. 根据目标11、14、26调整四个返回电极的半径。做出此决定后,在盖上标记中心电极和返回电极位置。

3. 3D 数字化仪测量

  1. 使用金属扫描仪进行扫描,以确保 3D 数字化仪的环境无金属。
  2. 将盖子放在受试者的头部
    1. 确保帽上的参照物(Cz、Fpz、Oz、左前视点和右前视点)与头皮位置22的国际10-10系统对齐。例如,在头皮上本地化顶点 (Cz),并将帽子放在受试者的头上,将帽的 Cz 与主体对齐。
  3. 安排 3D 数字化设备
    1. 使用通用串行总线 (USB) 接口将 3D 数字化仪连接到计算机,并确保数字化器软件可用并准备就绪27
    2. 将源放在主体前面,并将传感器的弹性绳固定在头部周围。重要的是,确保在 3D 数字化仪测量期间,源和传感器均不会移动。
      :源是发射电磁偶极子场的磁发射机。传感器是检测现场的接收器。
    3. 打开计算机上的数字化器软件,确保 3D 数字化仪系统与软件通信。
    4. 测试手写笔的准确性。在尺子上找到长度为 10 厘米的尺子,并使用手写笔分别记录零毕业和十次毕业。
      :应捕获 3D 数字化仪的两个记录点之间的测量距离。将错误与 3D 跟踪器的读数进行比较。
    5. 选择"新建"图标并创建新的主题文件。选择"会话"框,然后引用
      :使用3D数字化仪手写笔,根据软件提示收集受试者的参考位置数据(Cz、inion、nasion、左耳、右耳)。
    6. 为了满足fNIRS实验的要求,使用发射机、探测器通道选项。收集发射机、探测器和信道的中心电极和四个回归电极 3 倍的位置数据,以减少误差。确保五个电极依次编号并本地化。
    7. 保存生成的三个文件。

4. 数据转换和空间注册

  1. 将三个文件选择到NIRS-SPM中,实现到MNI空间28的实际坐标登记。Affine根据MNI空间的MRI数据库,将参与者中的参考点和五个电极点转换为每个条目中的相应点。
  2. 将数据注册到解剖自动标签和布罗德曼区域,并将五个电极点的空间信息注册到这两个。
  3. 将先前研究中的刺激坐标与获得的坐标20、29进行比较。
  4. 使小切口与盖上标记的五个点对齐,使塑料外壳紧密地嵌入到盖中。

5. 刺激

  1. 确保参与者对HD-tDCS1,3没有禁忌症(即神经或精神障碍史),并在研究前提供书面知情同意(包括HD-tDCS刺激)。
  2. 对于设备安装,请确保所有必要的材料都可用 (图 3)。安装设备,如已发表的文献14中详述的。下面提供了简要说明。
    1. 安装电池并检查电池是否已充电。
    2. 连接传统的 tDCS 和 4x1 刺激适配器。
    3. 将五个 Ag/AgCI 烧结环电极的电缆连接到 4x1 适配器输出电缆上的匹配接收器。
    4. 检查所有材料是否连接正确。
  3. 测量参与者的头部并将盖子放在头部。
    1. 将五个塑料高清外壳嵌入游泳帽中。
    2. 本地化主题13、14的Cz、Fpz和Oz。调整盖子上的参考,使其与头皮位置的国际10-10系统对齐22。盖到位后,确保它不移动。
    3. 使用 3D 数字化仪收集刺激大脑区域的位置数据。根据生成的数据进行相应的调整。
  4. 用导电凝胶覆盖头皮表面。首先,使用塑料注射器的末端小心地通过塑料外壳的开口将头发分开,直到头皮暴露。然后,通过头皮表面的塑料外壳开口,用导电凝胶覆盖裸露的头皮。
  5. 设置 tDCS 器件的参数:质量值、刺激持续时间、强度和条件设置。
    1. 打开 4x1 多通道刺激适配器。
    2. 确保默认设置为SCAN,通过扫描电极 14、30、31 ,在显示窗口中一次显示一个电极的阻抗。此处,阻抗被描述为"质量值"。低于1.5的值表示质量足够14,3031。在这种情况下,值低于 1。
      :如果阻抗值超过这些要求的限制,请打开具有高阻抗的塑料外壳盖并调整头发和电极以获得所需的阻抗值。
    3. 按下"模式选择"按钮,在阻抗值可以接受后,从"扫描"切换到"PASS"。
    4. 按下"POLARITY"按钮,选择中心阳极或中心阴极。"中央 ANODE"是默认设置。
    5. 调整传统 tDCS 设备上的设置,以包括刺激持续时间(最小)、强度 (mA) 和假状态设置。在这种情况下,非节点活性刺激为1.5 mA,刺激持续20分钟。接下来,按下"RELAX"操纵杆以切换到全电流。
    6. 一旦一切设置,启动刺激。按"开始"按钮,直流强度将上升,直到达到目标电流。然后,计时器将显示剩余时间。
      :在直流强度增加期间,一些参与者可能会感到不舒服。在这种情况下,电流可能会通过拉下"RELAX"操纵杆,在几秒钟内适度降低。然后,在参与者再次感到舒适时,逐渐将娃娃杆推到全电流。

6. 刺激后

  1. 刺激结束后,缓慢转动操纵杆,在关闭电源之前将电流调整为零。否则,当直接关闭电源时,参与者可能会感觉到刺痛的感觉或头晕。
  2. 刺激后,打开塑料盖,从外壳上取下 Ag/AgCI 烧结环电极。
  3. 拆下游泳帽并清洁材料。为参与者提供清洁头发的工具。
  4. 如有必要,要求参与者在每次刺激会议后填写调查问卷(例如,测量HD-tDCS后筛查的不良影响、参与者对大脑刺激的耐受性等;参见补充文件)。

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Representative Results

使用所介绍的方法,确定了rTPJ的坐标,这需要10-20系统以外的刺激点。首先,头形的周长应与实际头部相似。在这里,鼻咽到头型的长度为±36厘米,双前脑之间的长度为±37厘米。

生产电极盖的步骤指导 10-20 系统的测量位置。在这里,确定了 Nz、Iz、Cz、Fpz、Oz、Pz、T8、T7、C4、P8、O2、P4、C6、P6 和 CP6。在头皮上发现了 RTPJ 的大致位置(大约 CP6 和 P6 之间的中点)。中央电极和外围电极之间的距离应根据实验目标进行调整。先前的研究获得了半径值,范围从3.5-7.5厘米11,14,30。不同的半径值,直流强度和刺激持续时间可能产生不同的电场强度。在此协议中,所有返回电极与中央有源电极之间的距离固定为3.5厘米。

游泳帽上保留了几个重要的参考点,包括Fpz、Cz、Oz、T8和C4。头皮上的顶点位于刺激之前,关键是帽上的 Cz 点与顶点完全对齐。一旦盖就位,盖子就不应移动。在数字化后获取了一个 .mat 文件和两个 .csv 文件(即 sub01_origin.csv,其中包括参考 [主题号 01] 的坐标信息),而sub01_others.csv 包含五个目标的坐标信息点 [主题编号 01]。

在数据转换和空间注册后,获得了三个.txt文件。在数字化仪软件中,有变送器、探测器(接收器)和信道选项来满足fNIRS实验的要求。发射器、探测器或信道的坐标数据应相同。但是,由于实验室人员技能、握笔手势等原因,可能会出现小操作错误。

使用 NIRS-SPM 独立注册功能,空间配准函数生成 MNI 坐标。表 1中第一行中的数字表示数字化器中的顺序。在此协议中,来自五号的数据是有关中心电极的位置信息。在布罗德曼地区(BA),获得了解剖标签及其编号。每行之后的数字表示重叠的百分比。在解剖自动标签(AAL)中,获得了解剖标签和重叠百分比。为了减少测量误差,计算了五个电极最终MNI坐标中三个数据点的平均值。至于AAL和BA,该值表示与大脑皮层重叠的百分比。所有可能性都合并到最终数据中(表1)。

根据 MNI 坐标、AAL 和 BA 的数据,如果值和目标值之间的差值过大,则必须将泳帽调整到 X、Y、Z 和目标值的实际值的相对位置,如第 2-411、14、30、31节所述。

Figure 1
图 1:创建固定电极盖的步骤。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图2:3D数字化仪。3D 数字化仪是 3D 数字化的经济高效的解决方案。它是一个双传感器运动跟踪器。光源是发射电磁偶极子场的磁发射机。传感器是检测现场的接收器。手写笔允许精确精确定位 X、Y 和 Z 数据点。控制框连接到计算机并传输数据。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图3:刺激的必要材料。这些材料包括 tDCS 器件、4x1 多通道刺激适配器、四个 9 V 电池、五个 Ag/AgCI 钠环电极、五个 HD 塑料外壳及其各自的盖、导电凝胶、注射器、标准胶带测量仪和游泳帽。请点击此处查看此图的较大版本。

表1:大脑区域刺激的定位。请点击此处查看此表(右键单击下载)。

补充文件。请点击此处查看此文件(右键单击下载)。

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Discussion

与传统tDCS相比,HD-tDCS增加了刺激的焦距。典型的刺激位点通常基于10-20脑电图系统。然而,确定这个系统以外的精确刺激点可能很困难。本文将 3D 数字化仪与 HD-tDCS 相结合,以确定 10-20 系统以外的刺激点。在这种情况下,必须明确定义制作和使用电极盖的步骤和预防措施。

一般来说,靶刺激区的位置来源于以往脑成像研究的结果,可以得到刺激区域在10-20国际系统或MNI坐标上的位置。为测量 10-20 系统位置而创建电极盖导板的步骤至关重要。将盖放在头上时,盖上的参考与头皮位置的国际 10-20 系统保持一致,这一点至关重要。一旦 3D 数字化仪开始运行,源和传感器不应移动,否则将导致数据偏差。

在软件中,参考点在头皮上,而不是在帽上,除非头皮和帽的所有参考点都匹配。如果测量结果和目标值之间的误差超过可接受的范围,则应稍微调整标记点的位置。调整后,应再次进行测量。一旦用户按下"MODE SELECT"按钮并从"SCAN"切换到"PASS",电流将开始从传统的tDCS设备通过电极进入4x1多通道刺激适配器。

模块化脑电图记录盖提供探头的固定位置。然而,确定这个系统以外的精确刺激点可能很困难。可使用所述协议以及刺激点的坐标来确定10-20系统以外的电极的位置。半径设置应基于实验目标。使用本文所述的方法,可灵活调整四个返回电极和中心电极的半径。

有许多数字化软件包(例如,用于fNIRS任务的头脑风暴软件;这里使用了Vpen软件)15。不同的数据收集软件包强调不同的功能,应根据研究问题进行选择。头围因人而异;因此,使用相同的上限可能会产生错误。然而,模块化脑电图记录盖也存在这个问题。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

这项研究得到了国家自然科学基金(31972906)、重庆海外归国学者创业与创新计划(cx2017049)、中央高校基础研究基金(SWU1809003)、开放中国科学院心理研究所心理健康重点实验室研究基金(KLMH2019K05)、重庆研究生研究创新项目(CYS19117)和合作创新研究计划基金北京师范大学基础教育质量评估中心(2016-06-014-BZK01、SCSM-2016A2-15003和JCXQ-C-LA-1)。我们要感谢奥蒂尔·图雷尔教授对本手稿初稿的建议。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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References

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