Yüksek Tanımlı Transkraniyal Doğru Akım Stimülasyonu ile 3D Sayısallaştırıcı Kullanılarak Stimülasyon Yeri Tayini
Summary
Burada sunulan yüksek tanımlı transkraniyal doğru akım stimülasyonu ile bir 3D sayısallaştırıcı birleştirerek stimülasyon yeri belirlenmesinde daha yüksek doğruluk elde etmek için bir protokoldür.
Abstract
Nörogörüntüleme verilerinin bolluğu ve makine öğreniminin hızlı gelişimi beyin aktivasyon modellerinin araştırılmasını mümkün kılmıştır. Ancak, bir davranışa yol açan beyin bölgesi aktivasyonu nedensel kanıt genellikle eksik bırakılır. Transkraniyal doğru akım stimülasyonu (tDCS), geçici olarak beyin kortikal uyarılabilirlik ve aktivitesini değiştirebilir, insan beyninde nedensel ilişkileri incelemek için kullanılan bir noninvaziv nörofizyolojik araçtır. Yüksek tanımlı transkraniyal doğru akım stimülasyonu (HD-tDCS), konvansiyonel tDCS’ye göre daha fokal akım üreten noninvaziv bir beyin stimülasyonu (NIBS) tekniğidir. Geleneksel olarak, stimülasyon yeri kabaca 10-20 EEG sistemi ile belirlenmiştir, çünkü kesin stimülasyon noktalarının belirlenmesi zor olabilir. Bu protokol, uyarım noktalarının belirlenmesinde doğruluğu artırmak için HD-tDCS içeren bir 3B sayısallaştırıcı kullanır. Yöntem, doğru temporo-parietal kavşakta (rTPJ) stimülasyon noktalarının daha doğru lokalizasyonu için 3D sayısallaştırıcı kullanılarak gösterilmiştir.
Introduction
Transkraniyal doğru akım stimülasyonu (tDCS), kortikal uyarılabilirliği kafa derisi üzerinde zayıf doğru akımlarla modüle eden noninvaziv bir tekniktir. Bu sağlıklı insanlarda nöral uyarılabilirlik ve davranışarasındanedensellik kurmayı amaçlamaktadır 1,2,3. Buna ek olarak, bir motor nörorehabilitasyon aracı olarak, tDCS yaygın Parkinson hastalığı, inme tedavisinde kullanılır, ve serebral palsi4. Mevcut kanıtlar geleneksel pad tabanlı tDCS nispeten daha büyük beyinbölgesi5,6,7üzerinden akım akışı üretir göstermektedir. Yüksek tanımlı transkraniyal doğru akım stimülasyonu (HD-tDCS), merkezi halka elektrot dört dönüş elektrotlar8çevrili bir hedef kortikal bölge üzerinde oturan ile,9, dört halka alanları circumscribing tarafından odak artar5,10. Buna ek olarak, HD-tDCS tarafından indüklenen beynin uyarılabilirlik değişiklikleri önemli ölçüde daha büyük büyüklükleri ve geleneksel tDCS tarafından üretilen daha uzun sürelere sahip7,11. Bu nedenle, HD-tDCS yaygın araştırma7kullanılır,11.
Noninvaziv beyin stimülasyonu (NIBS) standart MNI ve Talairach sistemlerinde bir stimülasyon sitesi mevcut olduğundan emin olmak için özel yöntemler gerektirir12. Nöronavigasyon transkraniyal uyaranlar ve insan beyni arasındaki etkileşimleri haritalama sağlayan bir tekniktir. Görselleştirme ve 3D görüntü verileri hassas stimülasyon için kullanılır. Hem tDCS ve HD-tDCS, kafa derisi üzerinde stimülasyon sitelerinin ortak bir değerlendirme genellikle EEG 10-20 sistemi13,14. Bu ölçüm yaygın ilk aşamada fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi (fNIRS) için tDCS pedleri ve optode tutucuları yerleştirmek için kullanılır13,14,15.
10-20 sistemi kullanırken kesin stimülasyon noktalarının belirlenmesi zor olabilir (örneğin, temporo-parietal kavşakta [TPJ]). Bunu çözmenin en iyi yolu manyetik rezonans görüntüleme (MRG) kullanarak katılımcılardan yapısal görüntüler elde etmek, daha sonra sayısallaştırma ürünleri15kullanarak yapısal görüntüleri hedef noktaları eşleştirerek tam sonda konumu elde etmektir. MRG iyi mekansal çözünürlük sağlar ama15,16,17kullanmak pahalıdır. Ayrıca, bazı katılımcılar (örneğin, metal implantlar, klostrofobik insanlar, hamile kadınlar, vb) MRTarayıcılara tabi tutulamaz. Bu nedenle, yukarıda belirtilen sınırlamaları aşmak ve stimülasyon noktalarının belirlenmesinde doğruluğu artırmak için uygun ve verimli bir yol için güçlü bir ihtiyaç vardır.
Bu protokol, bu sınırlamaları aşmak için bir 3B sayısallaştırıcı kullanır. MRG ile karşılaştırıldığında, 3D sayısallaştırıcının temel avantajları düşük maliyetler, basit uygulama ve taşınabilirliktir. Bireylerin beş referans noktasını (yani Cz, Fpz, Oz, sol preauriküler nokta ve sağ preauriküler nokta) hedef stimülasyon noktalarının konum bilgileriyle birleştirir. Daha sonra, deneğin kafasında elektrotların 3Boyutlu bir konum üretir ve yapısal görüntü12,15geniş veri ile uydurma onların kortikal konumlarını tahmin eder. Bu olasılıksal kayıt yöntemi, bir deneğin manyetik rezonans görüntülerini kaydetmeden MNI koordinat sisteminde transkraniyal haritalama verilerinin sunulmasını sağlar. Yaklaşım anatomik otomatik etiketler ve Brodmann alanları11oluşturur.
3D sayısallaştırıcı, yapısal görüntülerden elde edilen verilere dayanarak uzay koordinatlarını işaretlemek için kullanılan, ilk fNIRS araştırma optodların konumunu belirlemek için kullanılmıştır18. HD-tDCS kullananlar için, bir 3D sayısallaştırıcı EEG 10-20 sisteminin sonlu stimülasyon noktalarını kırar. Dört dönüş elektrodu ve orta elektrotuzak esnektir ve gerektiğinde ayarlanabilir. Bu protokol ile 3D sayısallaştırıcı kullanılarak, 10-20 sisteminin ötesinde olan rTPJ’nin koordinatları elde edildi. Ayrıca insan beyninin doğru temporo-parietal kavşak (rTPJ) hedefleme ve uyarıcı için prosedürler gösterilmiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Geleneksel tDCS ile karşılaştırıldığında, HD-tDCS stimülasyon odak artar. Tipik stimülasyon bölgeleri genellikle 10-20 EEG sistemine dayanır. Ancak, bu sistemin ötesinde kesin stimülasyon noktaları belirlenmesi zor olabilir. Bu kağıt 10-20 sisteminin ötesinde stimülasyon noktaları belirlemek için HD-tDCS ile bir 3D sayısallaştırıcı birleştirir. Bu gibi durumlarda elektrot kapağının yapımı ve kullanılması için gerekli adımları ve önlemleri net bir şekilde tanımlamak önemlidir.
…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (31972906), Chongqing Yurtdışı İade Edilen Akademisyenler için Girişimcilik ve İnovasyon Programı (cx2017049), Merkez Üniversiteler için Temel Araştırma Fonları (SWU1809003), Açık Temel Ruh Sağlığı Laboratuvarı Araştırma Fonu, Psikoloji Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi (KLMH2019K05), Chongqing’de Yüksek Lisans Öğrencisinin Araştırma İnovasyon Projeleri (CYS19117) ve İşbirlikçi İnovasyon araştırma programı fonları Pekin Normal Üniversitesi Temel Eğitim Kalitesine Yönelik Değerlendirme Merkezi (2016-06-014-BZK01, SCSM-2016A2-15003 ve JCXQ-C-LA-1). Prof. Dr. Ofir Türel’e bu makalenin erken taslağı ile ilgili önerileri için teşekkür ederiz.
Materials
| 1X1 Low Intensity transcranial DC Stimulator | Soterix Medical | 1300A | |
| 3-dimensional Polhemus-Patriot Digitizer | POLHEMUS | 1A0453-001 | PATRIOT system component |
| 4X1 Multi-Channel Stimulation Interface | Soterix Medical | 4X1-C3 | |
| Dell desktop computer | Dell | CRFC4J2 | Master computer to run 3D digitizer application |
References
- Nitsche, M. A., Paulus, W. Excitability changes induced in the human motor cortex by weak transcranial direct current stimulation. Journal of Physiology. 527, 633-639 (2000).
- Sellaro, R., Nitsche, M. A., Colzato, L. S. The stimulated social brain: effects of transcranial direct current stimulation on social cognition. Annals of the New York Academy of Sciences. 1369 (1), 218-239 (2016).
- Chen, W., et al. Sex-based differences in right dorsolateral prefrontal cortex roles in fairness norm compliance. Behavioural Brain Research. 361, 104-112 (2019).
- Sánchez-Kuhn, A., Pérez-Fernández, C., Cánovas, R., Flores, P., Sánchez-Santed, F. Transcranial direct current stimulation as a motor neurorehabilitation tool: an empirical review. BioMedical Engineering Online. 16 (1), 76 (2017).
- Dmochowski, J. P., Datta, A., Bikson, M., Su, Y., Parra, L. C. Optimized multi-electrode stimulation increases focality and intensity at target. Journal of Neural Engineering. 8 (4), 046011 (2011).
- Seo, H., Kim, H. I., Jun, S. C. The Effect of a Transcranial Channel as a Skull/Brain Interface in High-Definition Transcranial Direct Current Stimulation-A Computational Study. Science Report. 7, 40612 (2017).
- Datta, A., et al. Gyri -precise head model of transcranial DC stimulation: Improved spatial focality using a ring electrode versus conventional rectangular pad. Brain Stimulation. 2, 201-207 (2009).
- Turski, C. A., et al. Extended Multiple-Field High-Definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) is well tolerated and safe in healthy adults. Restorative Neurology and Neuroscience. 35 (6), 631-642 (2017).
- Datta, A., Elwassif, M., Battaglia, F., Bikson, M. Transcranial current stimulation focality using disc and ring electrode configurations: FEM analysis. Journal of Neural Engineering. 5 (2), 163-174 (2008).
- Edwards, D., et al. Physiological and modeling evidence for focal transcranial electrical brain stimulation in humans: a basis for high definition tDCS. Neuroimage. 74, 266-275 (2013).
- Kuo, H. I., et al. Comparing cortical plasticity induced by conventional and high-definition 4 x 1 ring tDCS: a neurophysiological study. Brain Stimulation. 6 (4), 644-648 (2013).
- Singh, A. K., Okamoto, M., Dan, H., Jurcak, V., Dan, I. Spatial registration of multichannel multi-subject fNIRS data to MNI space without MRI. Neuroimage. 27 (4), 842-851 (2005).
- DaSilva, A. F., Volz, M. S., Bikson, M., Fregni, F. Electrode positioning and montage in transcranial direct current stimulation. Journal of Visualized Experiments. (51), (2011).
- Villamar, M. F., et al. Technique and considerations in the use of 4×1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). Journal of Visualized Experiments. (77), e50309 (2013).
- Jasinska, K. K., Guei, S. Neuroimaging Field Methods Using Functional Near Infrared Spectroscopy (NIRS) Neuroimaging to Study Global Child Development: Rural Sub-Saharan Africa. Journal of Visualized Experiments. (132), (2018).
- Logothetis, N. K. What we can do and what we cannot do with fMRI. Nature. 453 (7197), 869-878 (2008).
- Glover, G. H. Overview of functional magnetic resonance imaging. Neurosurgery Clinics of North America. 22 (2), 133-139 (2011).
- Zhu, H. . The easy and stable marking method for registering fNIRS data to MNI space by using 10-20 system. , (2012).
- Young, L., Saxe, R. An fMRI Investigation of Spontaneous Mental State Inference for Moral Judgment. Journal of Cognitive Neuroscience. 21, 1396-1405 (2009).
- Young, L., Cushman, F., Hause, M., Saxe, R. The neural basis of the interaction between theory of mind and moral judgment. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 104, 8235-8240 (2007).
- Jurcak, V., Tsuzuki, D., Dan, I. 10/20, 10/10, and 10/5 systems revisited: their validity as relative head-surface-based positioning systems. Neuroimage. 34 (4), 1600-1611 (2007).
- Schestatsky, P., Morales-Quezada, L., Fregni, F. Simultaneous EEG monitoring during transcranial direct current stimulation. Journal of Visualized Experiments. (76), (2013).
- Klem, G. H., Lüders, H. O., Jasper, H. H., Elger, C. The ten-twenty electrode system of the International Federation. The International Federation of Clinical Neurophysiology. Cleveland Clinic Foundation. Electroencephalography & Clinical Neurophysiology Supplement. 52, 3 (1999).
- Society, A. E. Guideline thirteen: Guidelines for standard electrode position nomenclature. Journal of Clinical Neurophysiology. 1, 111-113 (1994).
- Oostenveld, R., Praamstrac, P. The five percent electrode system for high-resolution EEG and ERP measurements. Clinical Neurophysiology. 112, 713-719 (2001).
- Saturnino, G. B., Antunes, A., Thielscher, A. On the importance of electrode parameters for shaping electric field patterns generated by tDCS. Neuroimage. 120, 25-35 (2015).
- . L. Real-time Recording System of Visual Head 3D Positioning Information (VPen). China patent. , (2014).
- Ye, J. C., Tak, S., Jang, K. E., Jung, J., Jang, J. NIRS-SPM: Statistical parametric mapping for near-infrared spectroscopy. Neuroimage. 44 (2), 428-447 (2009).
- Decety, J., Lamm, C. The role of the right temporoparietal junction in social interaction: how low-level computational processes contribute to meta-cognition. Neuroscientist. 13 (6), 580-593 (2007).
- Villamar, M. F., et al. Focal modulation of the primary motor cortex in fibromyalgia using 4×1-ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS): immediate and delayed analgesic effects of cathodal and anodal stimulation. The Journal of Pain. 14 (4), 371-383 (2013).
- Borckardt, J. J., et al. A pilot study of the tolerability and effects of high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) on pain perception. The Journal of Pain. 13 (2), 112-120 (2012).
