Determinación de la ubicación de estimulación mediante un digitalizador 3D con estimulación de corriente directa transcraneal de alta definición

Neuroscience

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Summary

Aquí se presenta un protocolo para lograr una mayor precisión en la determinación de la ubicación de estimulación combinando un digitalizador 3D con estimulación de corriente directa transcraneal de alta definición.

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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

La abundancia de datos de neuroimagen y el rápido desarrollo del aprendizaje automático ha hecho posible investigar los patrones de activación cerebral. Sin embargo, la evidencia causal de activación del área cerebral que conduce a un comportamiento a menudo falta. La estimulación de corriente directa transcraneal (tDCS), que puede alterar temporalmente la excitabilidad cortical cerebral y la actividad, es una herramienta neurofisiológica no invasiva utilizada para estudiar las relaciones causales en el cerebro humano. La estimulación de corriente directa transcraneal de alta definición (HD-tDCS) es una técnica de estimulación cerebral no invasiva (NIBS) que produce una corriente más focal en comparación con el tDCS convencional. Tradicionalmente, la ubicación de la estimulación se ha determinado aproximadamente a través del sistema 10-20 EEG, porque determinar los puntos de estimulación precisos puede ser difícil. Este protocolo utiliza un digitalizador 3D con HD-tDCS para aumentar la precisión en la determinación de puntos de estimulación. El método se demuestra utilizando un digitalizador 3D para una localización más precisa de los puntos de estimulación en la unión temporo-parietal derecha (rTPJ).

Introduction

La estimulación de corriente directa transcraneal (tDCS) es una técnica no invasiva que modula la excitabilidad cortical con corrientes directas débiles sobre el cuero cabelludo. Su objetivo es establecer la causalidad entre la excitabilidad neuronal y el comportamiento en humanos sanos1,2,3. Además, como herramienta de neurorrehabilitación motora, tDCS es ampliamente utilizado en el tratamiento de la enfermedad de Parkinson, accidente cerebrovascular, y parálisis cerebral4. La evidencia existente sugiere que el tDCS tradicional basado en almohadillas produce flujo de corriente a través de una región cerebral relativamente más grande5,6,7. Estimulación de corriente directa transcraneal de alta definición (HD-tDCS), con el electrodo de anillo central sentado sobre una región cortical objetivo rodeada por cuatro electrodos de retorno8,9, aumenta la focalidad mediante la circunscribiendo cuatro áreas de anillo5,10. Además, los cambios en la excitabilidad del cerebro inducidos por HD-tDCS tienen magnitudes significativamente mayores y duraciones más largas que los generados por el tDCS7tradicional,11. Por lo tanto, HD-tDCS es ampliamente utilizado en la investigación7,11.

La estimulación cerebral no invasiva (NIBS) requiere métodos especializados para garantizar la existencia de un sitio de estimulación en los sistemas estándar MNI y Talairach12. La neuronavegación es una técnica que permite mapear interacciones entre los estímulos transcraneales y el cerebro humano. Su visualización y datos de imagen 3D se utilizan para la estimulación precisa. Tanto en tDCS como en HD-tDCS, una evaluación común de los sitios de estimulación en el cuero cabelludo es típicamente el sistema EEG 10-2013,14. Esta medición se utiliza ampliamente para colocar las almohadillas tDCS y los soportes de optode para espectroscopía infrarroja cercana funcional (fNIRS) en la etapa inicial13,14,15.

Determinar los puntos de estimulación precisos cuando se utiliza el sistema 10-20 puede ser difícil (por ejemplo, en la unión temporo-parietal [TPJ]). La mejor manera de resolver esto es obtener imágenes estructurales de los participantes utilizando imágenes por resonancia magnética (RM), luego obtener la posición exacta de la sonda haciendo coincidir los puntos de destino con sus imágenes estructurales utilizando productos de digitalización15. La RMN proporciona una buena resolución espacial, pero es costosa de usar15,16,17. Además, algunos participantes (por ejemplo, aquellos con implantes metálicos, personas claustrofóbicas, mujeres embarazadas, etc.) no pueden ser sometidos a escáneres de RMN. Por lo tanto, existe una fuerte necesidad de una manera conveniente y eficiente de superar las limitaciones antes mencionadas y aumentar la precisión en la determinación de los puntos de estimulación.

Este protocolo utiliza un digitalizador 3D para superar estas limitaciones. En comparación con la RMN, las principales ventajas de un digitalizador 3D son los bajos costos, la aplicación simple y la portabilidad. Combina cinco puntos de referencia (es decir, Cz, Fpz, Oz, punto preauricular izquierdo y punto preauricular derecho) de individuos con información de ubicación de los puntos de estimulación objetivo. A continuación, produce una posición 3D de electrodos en la cabeza del sujeto y estima sus posiciones corticales ajustando los vastos datos de la imagen estructural12,15. Este método de registro probabilístico permite la presentación de datos de mapeo transcraneal en el sistema de coordenadas MNI sin registrar las imágenes de resonancia magnética de un sujeto. El enfoque genera etiquetas automáticas anatómicas y áreas de Brodmann11.

El digitalizador 3D, utilizado para marcar coordenadas de espacio basadas en los datos de imágenes estructurales, se utilizó por primera vez para determinar la posición de los optodes en la investigación fNIRS18. Para aquellos que utilizan HD-tDCS, un digitalizador 3D rompe los puntos de estimulación finitos del sistema EEG 10-20. La distancia de los cuatro electrodos de retorno y el electrodo central es flexible y se puede ajustar según sea necesario. Cuando se utiliza el digitalizador 3D con este protocolo, se obtuvieron las coordenadas del rTPJ, que está más allá del sistema 10-20. También se muestran los procedimientos para atacar y estimular la unión temporo-parietal derecha (rTPJ) del cerebro humano.

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Protocol

El protocolo cumple con las directrices de la Junta de Revisión Institucional de la Universidad de Southwest.

1. Determinación de la ubicación de estimulación

  1. Revise la literatura y confirme la ubicación de la estimulación (aquí, el rTPJ)19,20,21.

2. Preparación de la tapa de sujeción de electrodos

NOTA: Los siguientes pasos se muestran en la Figura 1.

  1. Asegúrese de que todos los materiales necesarios estén fácilmente disponibles: el digitalizador 3D(Figura 2),cinta de medición estándar, un lápiz de marcado, la forma de la cabeza y una tapa de natación.
  2. Coloque la tapa en la forma de la cabeza y marque los puntos en la tapa.
    1. Localice el vértice (Cz). Para ello, marque primero el punto medio de la distancia entre el nasión y la inión utilizando un marcador de piel13,14,22. A continuación, mida la distancia entre los puntos preauriculares y marque el punto medio. El punto en el que ambos puntos se cruzan es el Cz.
    2. Compruebe la ubicación del electrodo central y los electrodos de retorno. Aquí, la estimulación se aplicó en rTPJ. El rTPJ corresponde aproximadamente al punto medio entre CP6 y P6 en el sistema 10-10 EEG19,20,21.
    3. Encontrar CP6 y P622,23,24,25. De acuerdo con los requisitos proporcionales del sistema 10-10, localizar la ubicación aproximada del rTPJ en el cuero cabelludo y marcarlo en la tapa.
    4. Ajustar el radio de los cuatro electrodos de retorno en función de los objetivos11,14,26. Después de esta decisión, marque el electrodo central y devuelva las ubicaciones del electrodo en la tapa.

3. Medición del digitalizador 3D

  1. Escanee con el escáner de metal para asegurarse de que el entorno para el digitalizador 3D no tiene metales.
  2. Colocación de la tapa en la cabeza del sujeto
    1. Asegúrese de que las referencias (Cz, Fpz, Oz, punto preauricular izquierdo y punto preauricular derecho) en la tapa se alinean con el sistema internacional 10-10 para la ubicación del cuero cabelludo22. Por ejemplo, localice el vértice (Cz) en el cuero cabelludo y coloque la tapa en la cabeza del sujeto, alineando la Cz de la tapa con los sujetos.
  3. Organización del equipo digitalizador 3D
    1. Conecte el digitalizador 3D al ordenador mediante la interfaz de bus serie universal (USB) y asegúrese de que el software del digitalizador esté disponible y listo27.
    2. Coloque la fuente delante del sujeto y apriete la cuerda elástica del sensor alrededor de la cabeza. Es importante destacar que ni la fuente ni el sensor se mueven durante la medición del digitalizador 3D.
      NOTA: La fuente es un transmisor magnético que emite un campo de dipolo electromagnético. El sensor es un receptor que detecta el campo.
    3. Abra el software digitalizador en el ordenador y asegúrese de que el sistema de digitalización 3D se comunica con el software.
    4. Pruebe la precisión del lápiz óptico. Encuentra una longitud de 10 cm en la regla y registra la graduación cero y diez graduación, respectivamente, usando el lápiz.
      NOTA: Se debe capturar la distancia de medición entre los dos puntos de grabación del digitalizador 3D. Compare el error con la lectura del rastreador 3D.
    5. Seleccione el icono Nuevo y cree un nuevo archivo de asunto. Seleccione el cuadro Sesiones y, a continuación, Referencia.
      NOTA: Utilizando el lápiz digitalizador 3D, los datos de posición de referencia (Cz, inion, nasion, oído izquierdo, oído derecho) del sujeto se recopilan de acuerdo con las indicaciones del software.
    6. Para satisfacer los requisitos de los experimentos fNIRS, utilice las opciones Transmisor, Detector y Canal. Recopile los datos de posición del electrodo central y cuatro electrodos de retorno 3x para el transmisor, detector y canal, con el fin de reducir el error. Asegúrese de que cinco electrodos estén numerados y localicen a su vez.
    7. Guarde los tres archivos que se generan.

4. Conversión de datos y registro espacial

  1. Seleccione los tres archivos en el NIRS-SPM para lograr el registro de coordenadas reales en el espacio MNI28. Affine transforma los puntos de referencia y cinco puntos de electrodo en los participantes a los puntos correspondientes en cada entrada según la base de datos de RMN en el espacio MNI.
  2. Registre los datos en etiquetas automáticas anatómicas y áreas de Brodmann y registre la información espacial de los cinco puntos de electrodo a ambos.
  3. Comparar las coordenadas de estimulación en investigaciones anteriores con las coordenadas obtenidas20,29.
  4. Haga un pequeño corte alineado con los cinco puntos marcados en la tapa, de tal forma que la carcasa de plástico esté incrustada perfectamente en la tapa.

5. Estimulación

  1. Asegúrese de que el participante no tenga contraindicaciones (es decir, antecedentes de trastornos neurológicos o psiquiátricos) para la HD-tDCS1,3 y que proporcionaron consentimiento informado por escrito antes del estudio (incluida la estimulación de la EH-tDCS).
  2. Para la instalación del dispositivo, asegúrese de que todos los materiales necesarios estén disponibles(Figura 3). Instale el dispositivo como se detalla en la literatura publicada14. A continuación se proporciona una breve descripción.
    1. Instale las baterías y compruebe que estén cargadas.
    2. Conecte el tDCS convencional y el adaptador de estimulación 4x1.
    3. Conecte los cables de cinco electrodos de anillo sinterizado Ag/AgCI a los receptores correspondientes del cable de salida del adaptador 4x1.
    4. Compruebe que todos los materiales estén conectados correctamente.
  3. Mida la cabeza del participante y coloque la tapa en la cabeza.
    1. Incruste las cinco carcasas de plástico HD en la tapa de natación.
    2. Localice el Cz, Fpz y Oz del tema13,14. Ajuste la referencia en la tapa para alinearla con el sistema internacional 10-10 para ubicaciones de cuero cabelludo22. Una vez que la tapa esté en posición, asegúrese de que no se mueva.
    3. Recopile los datos de posición de las áreas cerebrales estimuladas utilizando el digitalizador 3D. Realice los ajustes correspondientes según los datos generados.
  4. Cubra la superficie del cuero cabelludo con gel conductor eléctrico. En primer lugar, separe cuidadosamente el cabello a través de la abertura de la carcasa de plástico utilizando el extremo de una jeringa de plástico, hasta que el cuero cabelludo esté expuesto. A continuación, cubra el cuero cabelludo expuesto con el gel conductor eléctrico a través de la abertura de la carcasa de plástico en la superficie del cuero cabelludo.
  5. Establezca los parámetros del dispositivo tDCS: valor de calidad, duración del estímulo, intensidad y configuración de condición.
    1. Encienda el adaptador de estimulación multicanal 4x1.
    2. Asegúrese de que el ajuste predeterminado es SCAN, que muestra la impedancia de un electrodo a la vez en la ventana de visualización escaneando los electrodos14,30,31. Aquí, la impedancia se describe como "valor de calidad". Los valores inferiores a 1,5 indican calidad suficiente14,30,31. En este caso, los valores eran inferiores a 1.
      NOTA: Si el valor de impedancia supera estos límites requeridos, abra la tapa de la carcasa de plástico con alta impedancia y ajuste el cabello y el electrodo para obtener el valor de impedancia deseado.
    3. Pulse el botón "MODE SELECT" y cambie de "SCAN" a "PASS", después de que los valores de impedancia sean aceptables.
    4. Seleccione el ánodo central o el cátodo central pulsando el botón "POLARITY". "CENTRAL ANODE" es la configuración predeterminada.
    5. Ajuste los ajustes en el dispositivo tDCS convencional para incluir la duración del estímulo (min), la intensidad (mA) y el ajuste de condición falsa. En este caso, la estimulación activa anodal fue de 1,5 mA, y el estímulo duró 20 min. A continuación, empuje la palanca "RELAX" para cambiar a corriente completa.
    6. Una vez que todo esté listo, inicie la estimulación. Pulse el botón "START"y la intensidad de CC aumentará hasta que se alcance la corriente objetivo. A continuación, el temporizador mostrará el tiempo restante.
      NOTA: Algunos participantes pueden sentirse incómodos durante períodos de mayor intensidad de CC. En tales casos, la corriente puede reducirse moderadamente ligeramente durante unos segundos tirando hacia abajo de la palanca "RELAX". Luego, empuje la barra de muñecas a la corriente completa, gradualmente, cuando los participantes se sientan cómodos de nuevo.

6. Post-estimulación

  1. Cuando la estimulación haya terminado, gire la palanca lentamente para ajustar la corriente a cero antes de apagar la alimentación. De lo contrario, los participantes pueden percibir sensación de picadura o mareos al apagar la energía directamente.
  2. Después de la estimulación, abra la tapa de plástico y retire los electrodos de anillo sinterizado Ag/AgCI de la carcasa.
  3. Retire la gorra de natación y limpie los materiales. Proporcione a los participantes herramientas para limpiarse el cabello.
  4. Pida a los participantes que rellenen un cuestionario después de cada sesión de estimulación, si es necesario (por ejemplo, para medir los efectos adversos de la detección después de HD-tDCS, tolerancia de los participantes a la estimulación cerebral, etc.; véase Archivo suplementario).

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Representative Results

Utilizando los métodos presentados, se determinaron las coordenadas del rTPJ, que requiere puntos de estimulación más allá del sistema 10-20. En primer lugar, la circunferencia de la forma de la cabeza debe ser similar a la cabeza real. Aquí, la longitud de la nasión a la inión de la forma de la cabeza era de 36 cm, y la longitud entre el preauricular bilateral era de 37 cm.

Los pasos para producir la tapa del electrodo guían las posiciones de medición del sistema 10-20. Aquí, se determinaron Nz, Iz, Cz, Fpz, Oz, Pz, T8, T7, C4, P8, O2, P4, C6, P6 y CP6. La ubicación aproximada del RTPJ (aproximadamente el punto medio entre CP6 y P6) se encontró en el cuero cabelludo. La distancia entre los electrodos centrales y periféricos debe ajustarse en función de los objetivos experimentales. Investigaciones anteriores obtuvieron valores de radio que oscilan entre 3,5 y 7,5 cm11,14,30. Con diferentes valores de radio, la intensidad de CC y la duración de la estimulación pueden generar diferentes intensidades de campo eléctrico. En este protocolo, la distancia entre todos los electrodos de retorno y el electrodo activo central se fijó a 3,5 cm.

Se mantuvieron varios puntos de referencia importantes en la gorra de natación, incluyendo Fpz, Cz, Oz, T8 y C4. El vértice en el cuero cabelludo se localizó antes de la estimulación, y es fundamental que el punto Cz en la tapa se alinee exactamente con el vértice. Una vez que la tapa está en posición, la tapa no debe moverse. Se obtuvieron un archivo .mat y dos archivos .csv después de la digitalización (es decir, sub01_origin.csv, que incluía la información de coordenadas de la referencia [con el número de sujeto 01]), mientras que sub01_others.csv incluía la información de coordenadas de los cinco puntos [con el número de sujeto 01)].

Se obtuvieron tres archivos .txt después de la conversión de datos y el registro espacial. En el software de digitalización, hay opciones de transmisor, detector (receptor) y canal para cumplir con los requisitos de los experimentos fNIRS. Los datos de coordenadas del transmisor, detector o canal deben ser los mismos. Sin embargo, pueden ocurrir pequeños errores de funcionamiento, debido a las habilidades del personal de laboratorio, gesto de sujeción de la pluma, etc.

Mediante la función de registro independiente NIRS-SPM, la función de registro espacial genera coordenadas MNI. Los números de la primera línea de la Tabla 1 representan el orden en el digitalizador. En este protocolo, los datos del número cinco son la información de posición sobre el electrodo central. En las zonas de Brodmann (BA), se obtuvieron la etiqueta anatómica y su número. El número después de cada línea indica el porcentaje de superposición. En las etiquetas automáticas anatómicas (AAL), se obtuvieron la etiqueta anatómica y el porcentaje de superposición. Para reducir los errores de medición, se calculó el valor medio de tres puntos de datos de las coordenadas MNI finales de los cinco electrodos. En cuanto a AAL y BA, el valor representa un porcentaje de superposición con la corteza cerebral. Todas las posibilidades se combinaron en datos finales (Tabla 1).

Según los datos de las coordenadas MNI, AAL y BA, si la diferencia entre el valor y el valor objetivo es demasiado grande, la gorra de natación debe ajustarse a la posición relativa de los valores reales de X, Y, Z, y el valor objetivo, como se explica en las secciones 2–411,14,30,31.

Figure 1
Figura 1: Pasos para crear la tapa del electrodo de sujeción. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Digitalizador 3D. El digitalizador 3D es una solución rentable para la digitalización 3D. Es un rastreador de movimiento de doble sensor. La fuente es un transmisor magnético que emite un campo de dipolos electromagnéticos. El sensor es un receptor que detecta el campo. El lápiz óptico permite identificar con precisión los puntos de datos X, Y y Z. La caja de control se conecta al ordenador y transfiere datos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Materiales necesarios para la estimulación. Estos materiales incluyen un dispositivo tDCS, adaptador de estimulación multicanal 4x1, cuatro baterías de 9 V, cinco electrodos de anillo de sodio Ag/AgCI, cinco carcasas de plástico HD y sus respectivas tapas, gel conductor eléctrico, una jeringa, una cinta métrica estándar y una tapa de natación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Tabla 1: Localización de estimulaciones en el área del cerebro. Haga clic aquí para ver esta tabla (haga clic con el botón derecho para descargar).

Archivo Suplementario. Haga clic aquí para ver este archivo (haga clic con el botón derecho para descargar).

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Discussion

En comparación con el tDCS tradicional, HD-tDCS aumenta la focalidad de la estimulación. Los sitios típicos de estimulación a menudo se basan en el sistema 10-20 EEG. Sin embargo, determinar los puntos de estimulación precisos más allá de este sistema puede ser difícil. Este documento combina un digitalizador 3D con HD-tDCS para determinar los puntos de estimulación más allá del sistema 10-20. Es importante definir claramente los pasos y precauciones para hacer y utilizar la tapa del electrodo en tales casos.

En general, la posición de las áreas de estimulación objetivo se deriva de los resultados de estudios previos de imágenes cerebrales, y se puede obtener la posición de las áreas de estimulación en 10-20 coordenadas internacionales del sistema o MNI. Los pasos para crear la guía de tapa de electrodo para medir las posiciones del sistema 10-20 son críticos. Es clave que la referencia en la tapa se alinee con el sistema internacional 10-20 para ubicaciones del cuero cabelludo al colocar la tapa en la cabeza. Una vez que el digitalizador 3D comienza a ejecutarse, la fuente y el sensor no deben moverse, o causará desviación de datos.

En el software, los puntos de referencia están en el cuero cabelludo y no en la tapa, a menos que todos los puntos de referencia del cuero cabelludo y la tapa coincidan. Si el error entre los resultados medidos y los valores objetivo está fuera del rango aceptable, la posición de los puntos marcados debe ajustarse ligeramente. Después del ajuste, las mediciones deben realizarse de nuevo. Una vez que los usuarios presionen el botón "MODE SELECT" y cambien de "SCAN" a "PASS", la corriente comenzará a pasar desde el dispositivo tDCS convencional a través de los electrodos al adaptador de estimulación multicanal 4x1.

La tapa de grabación modular de electroencefalograma proporciona posiciones fijas de las sondas. Sin embargo, determinar los puntos de estimulación precisos más allá de este sistema puede ser difícil. Las posiciones de los electrodos más allá del sistema 10-20 se pueden determinar utilizando el protocolo descrito, así como las coordenadas de los puntos de estimulación. La configuración del radio debe basarse en los objetivos experimentales. Utilizando el método descrito aquí, el radio de los cuatro electrodos de retorno y el electrodo central se puede ajustar de forma flexible.

Hay muchos paquetes de software digitalizador (por ejemplo, el software Brainstorm para una tarea fNIRS; aquí, se utilizó el software Vpen)15. Diferentes paquetes de software de recopilación de datos hacen hincapié en las diferentes funciones y deben seleccionarse de acuerdo con la pregunta de investigación. La circunferencia de la cabeza varía entre los individuos; por lo tanto, el uso de la misma tapa puede producir errores. Sin embargo, la tapa de grabación de electroencefalograma modular también sufre de este problema.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este estudio fue apoyado por la National Natural Science Foundation of China (31972906), Entrepreneurship and Innovation Program for Chongqing Overseas Returned Scholars (cx2017049), Fundamental Research Funds for Central Universities (SWU1809003), Open Fondo de Investigación del Laboratorio Clave de Salud Mental, Instituto de Psicología, Academia China de Ciencias (KLMH2019K05), Proyectos de Innovación en Investigación de Estudiante Graduado en Chongqing (CYS19117), y los Fondos del Programa de Investigación de la Innovación Colaborativa Centro de Evaluación hacia la Calidad de la Educación Básica en la Universidad Normal de Beijing (2016-06-014-BZK01, SCSM-2016A2-15003 y JCXQ-C-LA-1). Nos gustaría dar las gracias al profesor Ofir Turel por sus sugerencias sobre el primer borrador de este manuscrito.

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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