Détermination de l'emplacement de la stimulation à l'aide d'un numériseur 3D avec stimulation à courant direct transcrânien haute définition

Neuroscience

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Summary

Présenté ici est un protocole pour atteindre une plus grande précision dans la détermination de l'emplacement de stimulation combinant un numériseur 3D avec la stimulation transcrânienne de courant transcrânien de haute définition.

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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

L'abondance des données de neuroimagerie et le développement rapide de l'apprentissage automatique ont permis d'étudier les modèles d'activation du cerveau. Cependant, l'évidence causale de l'activation de secteur de cerveau menant à un comportement est souvent laissée manquante. La stimulation transcrânienne du courant direct (TDCS), qui peut temporairement altérer l'excitabilité et l'activité corticales du cerveau, est un outil neurophysiologique non invasif utilisé pour étudier les relations causales dans le cerveau humain. La stimulation transcrânienne de courant direct de haute définition (HD-tDCS) est une technique non invasive de stimulation de cerveau (NIBS) qui produit un courant plus focal comparé au tDCS conventionnel. Traditionnellement, l'emplacement de stimulation a été grossièrement déterminé par le système 10-20 EEG, parce que la détermination des points de stimulation précis peut être difficile. Ce protocole utilise un numériseur 3D avec HD-tDCS pour augmenter la précision dans la détermination des points de stimulation. La méthode est démontrée à l'aide d'un numériseur 3D pour une localisation plus précise des points de stimulation dans la jonction temporo-pariétale droite (rTPJ).

Introduction

La stimulation transcrânienne de courant direct (tDCS) est une technique non invasive qui module l'excitabilité corticale avec les courants directs faibles au-dessus du cuir chevelu. Il vise à établir la causalité entre l'excitabilité neuronale et le comportement chez les humains en bonne santé1,2,3. En outre, comme un outil de neuroréhabilitation motrice, tDCS est largement utilisé dans le traitement de la maladie de Parkinson, accident vasculaire cérébral, et la paralysie cérébrale4. Les preuves existantes suggèrent que le tDCS traditionnel basé sur le pad produit le flux de courant par une région relativement plus grande de cerveau5,6,7. Stimulation transcrânienne de courant transcrânien haute définition (HD-tDCS), avec l'électrode d'anneau central se reposant au-dessus d'une région corticale cible entourée de quatre électrodes de retour8,9, augmente la focalité en circonscrivant quatre secteurs d'anneau5,10. En outre, les changements dans l'excitabilité du cerveau induits par HD-tDCS ont des grandeurs significativement plus grandes et des durées plus longues que celles générées par tDCS traditionnel7,11. Par conséquent, HD-tDCS est largement utilisé dans la recherche7,11.

La stimulation cérébrale non invasive (NIBS) nécessite des méthodes spécialisées pour s'assurer qu'un site de stimulation est présent dans les systèmes standard de l'INM et de Talairach12. La neuronavigation est une technique qui permet de cartographier les interactions entre les stimuli transcrâniens et le cerveau humain. Sa visualisation et ses données d'image 3D sont utilisées pour une stimulation précise. Dans les deux tDCS et HD-tDCS, une évaluation commune des sites de stimulation sur le cuir chevelu est généralement le système EEG 10-2013,14. Cette mesure est largement utilisée pour placer les tampons tDCS et les supports d'optode pour la spectroscopie infrarouge proche fonctionnelle (fNIRS) dans l'étape initiale13,14,15.

Il peut être difficile de déterminer les points de stimulation précis lors de l'utilisation du système 10-20 (p. ex., dans la jonction temporo-pariétale [TPJ]). La meilleure façon de résoudre ce problème est d'obtenir des images structurelles des participants à l'aide de l'imagerie par résonance magnétique (IRM), puis d'obtenir la position exacte de la sonde en faisant correspondre les points cibles à leurs images structurelles à l'aide de produits de numérisation15. MRI fournit une bonne résolution spatiale, mais est coûteux à utiliser15,16,17. De plus, certains participants (p. ex., ceux qui ont des implants métalliques, des personnes claustrophobes, des femmes enceintes, etc.) ne peuvent pas être soumis à des IRM. Par conséquent, il y a un fort besoin d'un moyen pratique et efficace de surmonter les limitations mentionnées ci-dessus et d'augmenter la précision dans la détermination des points de stimulation.

Ce protocole utilise un numériseur 3D pour surmonter ces limitations. Par rapport à l'IRM, les principaux avantages d'un numériseur 3D sont les coûts faibles, l'application simple et la portabilité. Il combine cinq points de référence (c.-à-d. Cz, Fpz, Oz, point préauriculaire gauche, et point préauriculaire droit) des individus avec des informations de localisation des points de stimulation cibles. Ensuite, il produit une position 3D d'électrodes sur la tête du sujet et estime leurs positions corticales en s'adaptant aux vastes données de l'image structurelle12,15. Cette méthode d'enregistrement probabiliste permet la présentation de données de cartographie transcrânienne dans le système de coordonnées de l'INM sans enregistrer les images de résonance magnétique d'un sujet. L'approche génère des étiquettes automatiques anatomiques et des zones Brodmann11.

Le numériseur 3D, utilisé pour marquer les coordonnées spatiales en fonction des données provenant d'images structurelles, a d'abord été utilisé pour déterminer la position des optodes dans la recherche fNIRS18. Pour ceux qui utilisent HD-tDCS, un numériseur 3D brise les points de stimulation finie du système EEG 10-20. La distance des quatre électrodes de retour et de l'électrode centrale est flexible et peut être ajustée au besoin. Lors de l'utilisation du numériseur 3D avec ce protocole, les coordonnées du rTPJ ont été obtenues, ce qui est au-delà du système 10-20. Sont également montrés les procédures pour cibler et stimuler la jonction temporo-pariétale droite (rTPJ) du cerveau humain.

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Protocol

Le protocole respecte les lignes directrices de la Commission d'examen institutionnel de l'Université Southwest.

1. Détermination de l'emplacement de stimulation

  1. Examiner la littérature et confirmer l'emplacement de stimulation (ici, le rTPJ)19,20,21.

2. Préparation du bouchon de fixation d'électrode

REMARQUE: Les étapes suivantes sont indiquées dans la figure 1.

  1. Assurez-vous que tous les matériaux nécessaires sont facilement disponibles : le numériseur 3D (figure 2), ruban de mesure standard, un stylo de marquage, le casque et un bonnet de bain.
  2. Placez le bouchon sur la forme de la tête et marquez les points sur le bouchon.
    1. Localisez le Vertex (Cz). Pour ce faire, d'abord marquer le point médian de la distance entre la nasion et l'inion à l'aide d'un marqueur de peau13,14,22. Ensuite, mesurez la distance entre les points pré-auriculaires et marquez le point médian. Le point où les deux points se croisent est le Cz.
    2. Vérifiez l'emplacement de l'électrode centrale et les électrodes de retour. Ici, la stimulation a été appliquée sur rTPJ. Le rTPJ correspond à peu près au point médian entre CP6 et P6 dans le système 10-10 EEG19,20,21.
    3. Trouver CP6 et P622,23,24,25. Selon les exigences proportionnelles du système 10-10, localiser l'emplacement approximatif du rTPJ sur le cuir chevelu et le marquer sur le bouchon.
    4. Ajuster le rayon des quatre électrodes de retour en fonction des objectifs11,14,26. Après cette décision, marquer l'électrode centrale et retourner les emplacements des électrodes sur le bouchon.

3. Mesure de numériseur 3D

  1. Numérisez avec le scanner métallique pour vous assurer que l'environnement du numériseur 3D est sans métal.
  2. Placement du bouchon sur la tête du sujet
    1. Assurez-vous que les références (Cz, Fpz, Oz, point préauriculaire gauche, et le point préauriculaire droit) sur le bouchon s'alignent avec le système international 10-10 pour l'emplacement du cuir chevelu22. Par exemple, localisez le Vertex (Cz) sur le cuir chevelu et placez le bouchon sur la tête du sujet, en alignant le Cz du bouchon sur les sujets.
  3. Organisation de l'équipement de numériseur 3D
    1. Connectez le numériseur 3D à l'ordinateur à l'aide de l'interface Universal Serial Bus (USB) et assurez-vous que le logiciel de numériseur est disponible et prêt27.
    2. Placez la source devant le sujet et attachez la corde élastique du capteur autour de la tête. Surtout, assurez-vous que ni la source ni le capteur ne bouge pendant la mesure du numériseur 3D.
      REMARQUE: La source est un émetteur magnétique qui émet un champ électromagnétique de dipole. Le capteur est un récepteur qui détecte le champ.
    3. Ouvrez le logiciel de numériseur sur l'ordinateur et assurez-vous que le système de numériseur 3D communique avec le logiciel.
    4. Testez la précision du stylet. Trouvez une longueur de 10 cm sur la règle et enregistrez le zéro graduation et dix graduations, respectivement, en utilisant le stylet.
      REMARQUE: La distance de mesure entre les deux points d'enregistrement du numériseur 3D doit être capturée. Comparez l'erreur avec la lecture du tracker 3D.
    5. Sélectionnez la nouvelle icône et créez un nouveau fichier sujet. Sélectionnez la case Sessions, puis Référence.
      REMARQUE: À l'aide du stylet de calcul 3D, les données de position de référence (Cz, inion, nasion, oreille gauche, oreille droite) du sujet sont collectées selon les invites logicielles.
    6. Pour répondre aux exigences des expériences fNIRS, utilisez les options Transmitter, Detector et Channel. Recueillir les données de position de l'électrode centrale et quatre électrodes de retour 3x pour l'émetteur, le détecteur et le canal, afin de réduire l'erreur. Assurez-vous que cinq électrodes sont numérotées et localisent à leur tour.
    7. Enregistrez les trois fichiers générés.

4. Conversion de données et enregistrement spatial

  1. Sélectionnez les trois fichiers dans le NIRS-SPM pour obtenir l'enregistrement des coordonnées réelles dans l'espace28de l'INM. Affine transformer les points de référence et cinq points d'électrode chez les participants aux points correspondants dans chaque entrée selon la base de données IRM dans l'espace MNI.
  2. Enregistrez les données sur les étiquettes automatiques anatomiques et les zones Brodmann et enregistrez les informations spatiales des cinq points d'électrode à ces deux.
  3. Comparez les coordonnées de la stimulation dans les recherches précédentes avec les coordonnées obtenues20,29.
  4. Faire une petite coupe alignée sur les cinq points marqués sur le bouchon, de sorte que le boîtier en plastique est bien intégré dans le bouchon.

5. Stimulation

  1. Assurez-vous que le participant n'a pas de contre-indications (c.-à-d. des antécédents de troubles neurologiques ou psychiatriques) pour le HD-tDCS1,3 et qu'il a fourni un consentement éclairé écrit avant l'étude (y compris la stimulation hD-tDCS).
  2. Pour l'installation de l'appareil, assurez-vous que tous les matériaux nécessaires sont disponibles (figure 3). Installez l'appareil tel que détaillé dans la littérature publiée14. Une brève description est fournie ci-dessous.
    1. Installez les piles et vérifiez qu'elles sont chargées.
    2. Connectez le tDCS conventionnel et l'adaptateur de stimulation 4x1.
    3. Connectez les câbles de cinq électrodes ag/AgCI à des récepteurs assortis sur le câble de sortie de l'adaptateur 4x1.
    4. Vérifiez que tous les matériaux sont connectés correctement.
  3. Mesurer la tête du participant et placer le bouchon sur la tête.
    1. Intégrez les cinq douilles HD en plastique dans le bonnet de bain.
    2. Localisez le Cz, Fpz, et Oz du sujet13,14. Ajuster la référence sur le bouchon pour s'aligner avec le système international 10-10 pour les emplacements du cuir chevelu22. Une fois que le plafond est en position, assurez-vous qu'il ne bouge pas.
    3. Recueillir les données de position des zones cérébrales stimulées à l'aide du numériseur 3D. Effectuez les ajustements correspondants en fonction des données générées.
  4. Couvrir la surface du cuir chevelu avec du gel électriquement conducteur. Tout d'abord, séparer soigneusement les cheveux par l'ouverture du boîtier en plastique à l'aide de l'extrémité d'une seringue en plastique, jusqu'à ce que le cuir chevelu est exposé. Ensuite, couvrir le cuir chevelu exposé avec le gel électriquement conducteur à travers l'ouverture du boîtier en plastique sur la surface du cuir chevelu.
  5. Définiz les paramètres de l'appareil tDCS : valeur de qualité, durée de stimulation, intensité et réglage de l'état.
    1. Allumez l'adaptateur de stimulation multicanal 4x1.
    2. Assurez-vous que le paramètre par défaut est SCAN, qui montre l'impedance d'une électrode à la fois dans la fenêtre d'affichage en scannant les électrodes14,30,31. Ici, l'impédance est décrite comme une « valeur de qualité ». Les valeurs inférieures à 1,5 indiquent une qualité suffisante14,30,31. Dans ce cas, les valeurs étaient inférieures à 1.
      REMARQUE: Si la valeur d'impédance dépasse les limites requises, ouvrez le bouchon du boîtier en plastique avec une forte entrave et ajustez les cheveux et l'électrode pour obtenir la valeur d'impédance désirée.
    3. Appuyez sur le bouton "MODE SELECT" et passez de "SCAN" à "PASS", une fois que les valeurs d'impédance sont acceptables.
    4. Sélectionnez le centre-anode ou le centre-cathode en appuyant sur le bouton «POLARITY». "CENTRAL ANODE" est le paramètre par défaut.
    5. Ajuster les réglages sur le dispositif tDCS conventionnel pour inclure la durée de stimulus (min), l'intensité (mA) et le réglage de l'état bidon. Dans ce cas-, la stimulation active anodal était 1.5 mA, et le stimulus a duré 20 min. Ensuite, poussez le levier "RELAX" pour passer au courant complet.
    6. Une fois que tout est réglé, initier la stimulation. Appuyez sur le bouton «START», et l'intensité DC augmentera jusqu'à ce que le courant cible soit atteint. La minuterie affichera ensuite le temps restant.
      REMARQUE: Certains participants peuvent se sentir mal à l'aise pendant les périodes d'intensité d'AC accrue. Dans de tels cas, le courant peut être légèrement diminué pendant quelques secondes en tirant vers le bas le levier "RELAX". Ensuite, poussez la barre de poupée à plein courant, graduellement, quand les participants se sentent à l'aise à nouveau.

6. Post-stimulation

  1. Lorsque la stimulation est terminée, tournez le levier lentement pour ajuster le courant à zéro avant d'éteindre la puissance. Dans le cas contraire, les participants peuvent percevoir des sensations de picotement ou des étourdissements lorsqu'ils éteignent directement le courant.
  2. Après la stimulation, ouvrez le bouchon en plastique et retirez les électrodes d'anneau internés Ag/AgCI de l'enveloppe.
  3. Retirez le bonnet de bain et nettoyez les matériaux. Fournir aux participants des outils pour nettoyer leurs cheveux.
  4. Demandez aux participants de remplir un questionnaire après chaque séance de stimulation, si nécessaire (p. ex., pour mesurer les effets indésirables du dépistage après le dépistage HD-tDCS, la tolérance des participants à la stimulation cérébrale, etc.; voir Dossier supplémentaire).

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Representative Results

À l'aide des méthodes présentées, les coordonnées du rTPJ ont été déterminées, ce qui nécessite des points de stimulation au-delà du système 10-20. Tout d'abord, la circonférence de la forme de la tête doit être similaire à la tête réelle. Ici, la longueur de la nasion à l'inion de la forme de tête était de 36 cm, et la longueur entre le préauriculaire bilatéral était de 37 cm.

Les étapes de production du bouchon d'électrode guident les positions de mesure du système 10-20. Ici, Nz, Iz, Cz, Fpz, Oz, Pz, T8, T7, C4, P8, O2, P4, C6, P6 et CP6 ont été déterminés. L'emplacement approximatif du RTPJ (environ le point médian entre CP6 et P6) a été trouvé sur le cuir chevelu. La distance entre les électrodes centrales et périphériques doit être ajustée en fonction d'objectifs expérimentaux. Des recherches antérieures ont obtenu des valeurs de rayon allant de 3,5 à 7,5 cm11,14,30. Avec des valeurs de rayon différentes, l'intensité et la durée de stimulation de DC peuvent générer différentes forces de champ électrique. Dans ce protocole, la distance entre toutes les électrodes de retour et l'électrode active centrale a été fixée à 3,5 cm.

Plusieurs points de référence importants sur le chapeau de natation ont été conservés, y compris Fpz, Cz, Oz, T8, et C4. Le Vertex sur le cuir chevelu a été localisé avant la stimulation, et il est essentiel que le point Cz sur le bouchon s'aligne exactement avec le Vertex. Une fois que le bouchon est en position, le bouchon ne doit pas bouger. Un fichier .mat et deux fichiers .csv après numérisation ont été obtenus (c.-à-d. sub01_origin.csv, qui comprenait les coordonnées de la référence [avec le numéro 01] du sujet), tandis que sub01_others.csv incluait les coordonnées des cinq personnes visées [avec le numéro de sujet 01]].

Trois fichiers .txt ont été obtenus après la conversion des données et l'enregistrement spatial. Dans le logiciel de numériseur, il existe des options d'émetteur, de détecteur (récepteur) et de canal pour répondre aux exigences des expériences fNIRS. Les données de coordonnées de l'émetteur, du détecteur ou du canal doivent être les mêmes. Cependant, de petites erreurs d'exploitation peuvent se produire, en raison des qualifications de personnel de laboratoire, du geste de fixation de stylo, etc.

En utilisant la fonction d'enregistrement autonome NIRS-SPM, la fonction d'enregistrement spatial génère des coordonnées DeMN. Les chiffres de la première ligne du tableau 1 représentent l'ordre dans le numériseur. Dans ce protocole, les données du numéro cinq sont les informations de position sur l'électrode centrale. Dans les secteurs de Brodmann (BA), l'étiquette anatomique et son nombre ont été obtenus. Le nombre après chaque ligne indique le pourcentage de chevauchement. Dans les étiquettes automatiques anatomiques (AAL), l'étiquette anatomique et le pourcentage de chevauchement ont été obtenus. Pour réduire les erreurs de mesure, la valeur moyenne de trois points de données provenant des coordonnées finales de l'INM des cinq électrodes a été calculée. Quant à AAL et BA, la valeur représente un pourcentage de chevauchement avec le cortex cérébral. Toutes les possibilités ont été combinées en données finales (tableau 1).

Selon les données des coordonnées de l'INM, De l'AAL et de la BA, si la différence entre la valeur et la valeur cible est trop grande, le plafond de natation doit être ajusté à la position relative des valeurs réelles de X, Y, Z et de la valeur cible, comme l'expliquent les sections 2 à 411,14,30,31.

Figure 1
Figure 1 : Étapes pour créer le bouchon d'électrode de fixation. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : numériseur 3D. Le numériseur 3D est une solution rentable pour la numérisation 3D. Il s'agit d'un suivi de mouvement à double capteur. La source est un émetteur magnétique qui émet un champ électromagnétique de dipole. Le capteur est un récepteur qui détecte le champ. Le stylet permet de localiser avec précision les points de données X, Y et Z. La boîte de contrôle se connecte à l'ordinateur et transfère des données. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Matériaux nécessaires à la stimulation. Ces matériaux comprennent un dispositif tDCS, 4x1 Multichannel Stimulation Adapter, quatre batteries 9 V, cinq électrodes Ag / AgCI anneau de sodium, cinq boîtiers en plastique HD et leurs bouchons respectifs, gel électriquement conducteur, une seringue, une mesure standard du ruban adhésif, et un bonnet de natation. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Tableau 1 : Localisation des stimulations dans la région du cerveau. S'il vous plaît cliquez ici pour voir ce tableau (Cliquez à droite pour télécharger).

Fichier supplémentaire. S'il vous plaît cliquez ici pour voir ce fichier (Clic droit pour télécharger).

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Discussion

Par rapport au TDCS traditionnel, HD-tDCS augmente la focalité de la stimulation. Les sites typiques de stimulation sont souvent basés sur le système 10-20 EEG. Cependant, il peut être difficile de déterminer les points de stimulation précis au-delà de ce système. Cet article combine un numériseur 3D avec HD-tDCS pour déterminer les points de stimulation au-delà du système 10-20. Il est important de définir clairement les étapes et les précautions pour faire et utiliser le bouchon d'électrode dans de tels cas.

En général, la position des zones de stimulation cible est dérivée des résultats d'études antérieures d'imagerie cérébrale, et la position des zones de stimulation sur 10-20 coordonnées du système international ou de l'INM peut être obtenue. Les étapes pour créer le guide de bouchon d'électrode pour mesurer des positions du système 10-20 sont critiques. Il est essentiel que la référence sur le bouchon s'aligne avec le système international 10-20 pour les emplacements du cuir chevelu lors de la pose du bouchon sur la tête. Une fois que le numériseur 3D commence à fonctionner, la source et le capteur ne doivent pas bouger, ou il provoquera une déviation des données.

Dans le logiciel, les points de référence sont sur le cuir chevelu et non sur le bouchon, à moins que tous les points de référence du cuir chevelu et le bouchon sont correspondants. Si l'erreur entre les résultats mesurés et les valeurs cibles est hors de la plage acceptable, la position des points marqués doit être légèrement ajustée. Après ajustement, les mesures doivent alors être effectuées à nouveau. Une fois que les utilisateurs appuient sur le bouton "MODE SELECT" et passent de "SCAN" à "PASS", le courant commencera à passer du dispositif tDCS conventionnel à travers les électrodes dans l'adaptateur de stimulation multicanal 4x1.

Le bouchon modulaire d'enregistrement d'électroencéphalogramme fournit des positions fixes des sondes. Cependant, il peut être difficile de déterminer les points de stimulation précis au-delà de ce système. Les positions des électrodes au-delà du système 10-20 peuvent être déterminées à l'aide du protocole décrit, ainsi que des coordonnées des points de stimulation. Le paramètre de rayon doit être basé sur les objectifs expérimentaux. En utilisant la méthode décrite ici, le rayon des quatre électrodes de retour et de l'électrode centrale peut être ajusté avec souplesse.

Il existe de nombreux progiciels de numériseur (par exemple, le logiciel Brainstorm pour une tâche fNIRS; ici, le logiciel Vpen a été utilisé)15. Différents progiciels de collecte de données mettent l'accent sur différentes fonctions et doivent être sélectionnés en fonction de la question de recherche. La circonférence de la tête varie d'une personne à l'autre; par conséquent, l'utilisation du même bouchon peut produire des erreurs. Cependant, le bouchon modulaire d'enregistrement d'électroencéphalogramme souffre également de ce problème.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Acknowledgments

Cette étude a été soutenue par 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 Fonds de recherche du Key Laboratory of Mental Health, Institute of Psychology, Chinese Academy of Sciences (KLMH2019K05), Research Innovation Projects of Graduate Student in Chongqing (CYS19117), and the Research Program Funds of the Collaborative Innovation Centre d'évaluation vers la qualité de l'éducation de base à l'Université normale de Beijing (2016-06-014-BZK01, SCSM-2016A2-15003, et JCXQ-C-LA-1). Nous tenons à remercier le professeur Ofir Turel pour ses suggestions sur la première ébauche de ce manuscrit.

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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