Name: targeting neuronal fiber tracts for deep brain stimulation therapy using interactive, patient-specific models
Uploaded: 2018-08-12T12:30:00.000+00:00
Duration: 14 min 14 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Targeting Neuronal Fiber Tracts for Deep Brain Stimulation Therapy Using Interactive, Patient-Specific Models at JoVE.com

Dieses Projekt wurde durch die nationalen Institute der Gesundheit Stipendien UH3, NS095554 unterstützt. Technischer Support durch das Zentrum für Integrative Biomedical Computing am Scientific Computing and Imaging Institute zur Verfügung gestellt wurde und wurde teilweise durch Software, entwickelt von NIH P41-GM103545, Zentrum für Integrative Biomedical Computing möglich gemacht.
Dankbarkeit ist für die Unterstützung bei der Vorbereitung der Handschrift Lexie Boden und Nathan Galli am Scientific Computing und Imaging-Institut für Produktion und Bearbeitung des Antrags auf Zulassung video und auch Theresa Lins erweitert.

(1) Bildverarbeitung
<ol><li>T1-MRI-Segmentierung<ol>
<li>Downloaden Sie und installieren Sie FreeSurfer17. Es wird angenommen, dass ein T1-MRT erlangt hat und DICOM oder NIFTI Format.</li>
		<li>Geben Sie den folgenden Befehl zum Erstellen eines Patienten Verzeichnis und fügen Sie ihr T1-Volumen in FreeSurfer: Recon-All - s PatientName -i /Full/Path/To/nii
</li>
		<li>Art der folgenden FreeSurfers auszuführende Befehl automatische Segmentierung: Recon-All - s PatientName-alle
</li>
		<li>Verwenden Sie Mri_convert , "aseg.auto.mgz" aus FreeSurfers proprietäre .mgz-Format zu konvertieren.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Diffusion Weighted Imaging (DWI)<ol>
<li>Downloaden Sie und installieren Sie Slicer18. Es wird angenommen, dass ein Erwerb DWI durchgeführt wurde und als ein Stapel von DICOM-Dateien zur Verfügung ist. Hinweis: Eine gute Kommandozeilen-Tool Ausführen dieser Rekonstruktion ist der FMRIB-Software-Bibliothek (FSL)19. FSL diente in diesem Protokoll durchzuführen Echo planar, Bewegung und Eddy aktuelle Entzerrung vor dem Umbau. In dieser Analyse verwendeten DWI-Daten ist eine Reihe von DICOM-Dateien für 41 verschiedene Diffusion sensibilisierenden gradient Richtungen.</li>
		<li>Mithilfe des DWIConverter -Moduls im Datenschnitt um 41 separate Übernahmen in einem einzigen Band zu rekonstruieren. Geben Sie das Input-Dicom-Daten-Verzeichnis wo der DWI-Daten gespeichert sind. Aktivieren Sie das Optionsfeld DicomToNrrd und geben Sie den Namen des DWI Ausgangslautstärke.</li>
		<li>Erstellen Sie eine Tensor-Maske mit der Diffusion Weighted Volumen Maskierung Modul Hintergrundgeräusche aus der DTI-Schätzung zu beseitigen. Verlassen Sie den Schwellenwert-Parameter den Standardwert von 0,5.</li>
		<li>Konvertieren Sie diese Einzelband DWI Diffusion Tensor (DTI) Volumen mit DWI DTI Schätzung mit der Maske, die im vorherigen Schritt als die Diffusion Tensor Maskeerstellt. Legen Sie die Parameter der Schätzung zu kleinsten Quadrate und sicherstellen Sie, dass die Negative Eigenwerte Shift -Option aktiviert ist.</li>
		<li>Speichern Sie das neu erstellte Volume DTI im NRRD Format.</li>
	</ol>
</li>
</ol>(2) finite-Elemente-Modell-Generation
<ol><li>SCIRun<ol>
<li>Downloaden Sie und installieren Sie Version 5 (http://www.sci.utah.edu/software/scirun.html) SCIRun. SCIRun ist ein Problemlösungs-Umgebung für Modellierung, Simulation und Visualisierung wissenschaftlicher Probleme. Dies ist die rechnerische Werkbank verwendet erstellen, lösen und Interaktion mit dem Modell in diesem Projekt entwickelt. Hinweis: SCIRun Netzwerke entstehen durch die Verbindung von Sequenzen aus einzelnen Modulen, die bestimmte Aufgaben zu erfüllen. Weitergabe von Daten über ein Netzwerk aus einfachen Module ermöglicht komplexere Verarbeitung und Simulation.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Aufbau der Elektroden-Geometrie Hinweis: Die Elektrode modelliert in diesem Projekt ist ein Medtronic 3387 DBS Blei20. Es ist eine zylindrische Führung mit vier Kontakte 1,5 mm in der Höhe, 1,27 mm im Durchmesser und Abstand 1,5 mm auseinander. Nicht-leitendes Material trennt die vier Kontakte.<ol>
<li>Erstellen Sie eine geschlossene Flächennetz für jede Komponente in die DBS-Führung die aufgeführten Abmessungen passend. Erstellen Sie die gesamte Führung durch zwei primitive Geometrien, Zylinder und Kugeln. Hinweis: Die Lead-Geometrie kann in einer Vielzahl von 3D Modellierung Programme erstellt werden.</li>
		<li>Erstellen Sie eine Flächennetz einer Kapselung Schicht 0,5 mm dick, rund um die gesamte Führung.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Das ganze Gehirn Netz erstellen<ol>
<li>Laden Sie die Gehirn-Oberfläche erstellt in Teil 1 zu dienen als die äußere Begrenzung der FEM.</li>
		<li>Erstellen Sie zwei konzentrische Box Flächen rund um die DBS-Führung, die Netzdichte um die Elektrode zu kontrollieren. Hinweis: Der DBS führen und box Oberfläche sollte mit der unteren Spitze des Schachtes Elektrode befindet sich am Ursprung der positiven z-Achse ausgerichtet werden. Dies ist wichtig für spätere Rotation und Translation der Elektrode.</li>
		<li>Erstellen Sie eine Punktwolke mit einem einzigen Punkt befindet sich in jeweils eigenständige Region des Netzes. Die Regionen des Netzes sind: der Wellenabschnitte, die vier Kontakte, Feld und der Oberfläche des Gehirns. Diese Punkte verbundenen Werte repräsentieren die maximale Lautstärke Einschränkungen für jedes Tetraeder Element im Netz für diese Region. Diese Einschränkungen werden angepasst, um die Netzdichte in und um die Elektrode zu kontrollieren.</li>
		<li>Verwenden Sie das Modul "InterfaceWithTetGen" um das ganze Gehirn-Netz zu erstellen. Legen Sie die Eingänge wie folgt: Anschluss 1: Gehirn Oberfläche (ab 1.1) Anschluss 2: regionale Attribut Punktwolke, Volumen Zwängen (2.3.3) Anschluss 3: keine Anschluss 4: Modell Elektrodenflächen (ab 2.2)</li>
	</ol>
</li>
	<li>Platzierung der interaktiven Elektrode Hinweis: Das Ziel dieses Schrittes ist es, einfache Bewegung der Elektrode überall innerhalb des Gehirns zu aktivieren und das System automatisch aktualisiert, mit einem neuen Netz und Simulation.<ol>
<li>Verwenden Sie zwei überlappende CreateGeometricTransform Module, um die Elektrode in der X- und Y-Ebene drehen. Klicken Sie auf drehen und erstes Modul 1,00 auf Achse Y und die zweite auf 1,00 auf Achse X. Der Drehwinkel wird mit dem unteren Schieber, Drehen Theta (Grad)festgelegt.</li>
		<li>Schließen Sie ein TransformMeshWithTransform -Modul für jede Transformation und Objekt, der umgewandelt werden soll.</li>
		<li>Erstellen Sie ein GenerateSinglePointProbeFromField -Modul und das Modul ViewScene seine Geometrie-Port an. Bewegen der Kugel im Fenster " ViewScene " durch die UMSCHALTTASTE gedrückt halten und mit der linken Maustaste. Die Punkt-Sensormodule aktualisiert die Kugel Speicherort beim Loslassen. Hinweis: Diesen Standort wird verwendet, um festzustellen, die Übersetzung Transformation auf die Elektrode Geometrie angewendet.</li>
		<li>Verwenden Sie ein TransformMeshWithTransform -Modul, um jeden Teil des Elektroden-Geometrie mit der Position des Punkts Sonde übersetzen.</li>
		<li>Die zwei Drehung Transformationen und die Übersetzung aus dem Punkt Sonde Widget auf jedes Objekt außer der Gehirn-Oberfläche auftragen. Hinweis: Alle drei dieser Veränderungen sollte auf jedem Objekt durchgeführt werden, bevor es in das InterfaceWithTetGen -Modul geleitet wird, so dass die Netzerstellung Algorithmus kennt, um die Elektroden-Geometrie im Inneren des Gehirns an die neue Position und Ausrichtung zu vernetzen. Jedes Mal, wenn die Elektrode im Gehirn verschoben wird, wird ein neues Netz gebaut werden.</li>
	</ol>
</li>
</ol>(3) bioelektrischen Feldberechnung
<ol><li>Einstellparameter Leitfähigkeit<ol>
<li>Ladevolumen in Schritt 1 erstellte DTI und legen Sie die Daten auf die Tetraedergitter Ausgabe von InterfaceWithTetGen in Schritt2 mit MapFieldDataFromSourceToDestination mit der linear('weighted')-Option erstellt. Hinweis: In diesem Schritt sind keine anisotrope Leitfähigkeit Schätzung realisierbar.</li>
		<li>Legen Sie die Welle Region Leitfähigkeit auf 1E-6 und Kontaktbereich, 1e6 mit CalculateFieldData. Sobald alle Leitfähigkeitswerte festgelegt sind, Leitung Bereich in BuildFEMatrix.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Strom/Spannung Quellen und Randbedingungen einstellen<ol>
<li>Rohr der Gehirn-Oberfläche in die Netzerstellung aus Schritt2 in SetFieldDataToConstantValue und legen Sie den Wert auf 0. Dadurch entsteht eine Spannung Senke auf der Oberfläche des gesamten Gehirns. Verwenden Sie dann InsertVoltageSource , um die Spannungswerte auf die Tetraedergitter Ausgabe von InterfaceWithTetGenzu platzieren.</li>
		<li>Erstellen Sie für monopolare Stimulation einen einzelnen Punkt in der Mitte einer der Kontakt Standorte durch die Berechnung des FieldCenter-Wert aus dem ReportFieldInfo -Modul auf einem der Kontaktflächen. Setzen Sie die Felddaten in diesem Punkt-1 Volt. Dann verwenden Sie InsertVoltageSource um die Punktschallquelle in der Tetraedergitter platzieren. Hinweis: Es gibt jetzt zwei Kopien der Tetraedergitter. Eins mit Spannungswerte auf der Oberfläche des Gehirns und eins mit einer Punktquelle innerhalb eines Kontakts festlegen.</li>
		<li>Begleiten Sie die Leistung der beiden InsertVoltageSource Module und die Ausgabe in ApplyFEMVoltageSource zusammen mit der Ausgabe von BuildFEMatrix.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Problemlösung nach vorne Hinweis: Die Ausgabe des ApplyFEMVoltageSource gibt die Steifigkeitsmatrix an Port 1 und der rechten Seite Matrix an Port 2. Dies sind die zwei Komponenten erforderlich, um das System von Gleichungen zu lösen.<ol>
<li>Die beiden Ausgänge des ApplyFEMVoltageSource in SolveLinearSystemRohr. Wählen Sie das konjugieren Gradient Methode und Jacobi als die Vorkonditionierer lösen. Die Ausgabe dieses Moduls ist die Lösungsmatrix Spannungswert an jedem Knoten in der Tetraedergitter.</li>
		<li>Verwenden Sie SetFieldData , um die Spannung Lösungsmatrix auf Tetraedergitter für eine 3D Darstellung der Spannungsverteilung zu platzieren.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Isofläche Visualisierung<ol>
<li>Rohr-das Ergebnis der SetFieldData in ExtractSimpleIsosurface. Öffnen Sie die Benutzeroberfläche auf die Registerkarte " Menge " und die Anzahl der Isowerten gleichmäßig verteilt auf 10 festgelegt.</li>
		<li>Verwenden Sie ein ShowField Modul und schließen Sie es an das ViewScene Modul der Isoflächen als transparent mit einem Regenbogen-Farbkarte skaliert auf die Min. und Max. Spannung-Lösung anzeigen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Benabid, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chronic+electrical+stimulation+of+the+ventralis+intermedius+nucleus+of+the+thalamus+as+a+treatment+of+movement+disorders.">Chronic electrical stimulation of the ventralis intermedius nucleus of the thalamus as a treatment of movement disorders.</a> Journal of Neurosurgery. 84 (2), 203-214 (1996).</li><li>Limousin, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+parkinsonian+signs+and+symptoms+of+bilateral+subthalamic+nucleus+stimulation.">Effect of parkinsonian signs and symptoms of bilateral subthalamic nucleus stimulation.</a> The Lancet. 345 (8942), 91-95 (1995).</li><li>Schiff, N. 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Christopher R. Butson, Ph.D. diente als Berater für NeuroPace, Advanced Bionics, Boston Scientific, Intelect Medizin, St. Jude Medical und funktionale Neuromodulation.

Dieses Protokoll hat Techniken, um die Zeit zu entlasten und rechnerische Kosten des Aufbaus Patienten spezifische Modelle für DBS bis zu einem Grad, der in der Nähe von Echtzeit-Feedback der Simulationsergebnisse erlaubt. Schnelles Feedback ermöglicht die Erforschung der großen Parameterraum, besser zu verstehen, wie Parameteränderungen die Modellergebnisse beeinflussen. Diese Parameter umfassen Blei Lage, Wahl der aktiven Kontakte und die Amplitude, Impulsbreite und Frequenz der Stimulation Wellenform an diese Kontakte. Die wichtigsten Merkmale des vorgeschlagenen Tools sind: 1) eine einfache Benutzeroberfläche anpassen die Modellparameter mit in der Nähe von Echtzeit-Visualisierung wie diese Parameter der Simulation, und (2) Automatisierung der Modellerstellung von einer kleinen Reihe von Eingaben beeinflussen: die Gehirn-Oberfläche Gehirn Gewebe Leitfähigkeit Tensoren und einer Oberfläche Darstellung der Elektroden-Geometrie. Diese Automatisierung beschleunigt die Erstellung von patientenspezifischen Modellen für viele Personen, die verschiedenen Geometrien und Gewebe Leitfähigkeiten sowie Evaluierung der Auswirkungen der bestehenden Modelle unterschiedlichen Elektrode Entwürfe einfügen. In diesem Protokoll beschriebenen Bild Vorverarbeitung Schritte waren nicht vollständig automatisiert und können bis zu einem Tag Bearbeitungszeit dauern. Sobald die Daten aus diesen Schritten abgeschlossen gelten jedoch statisch, d. h., dass diese Daten nicht während der Simulation geändert werden. Die Automatisierung der Modellerstellung entsteht aus der Fähigkeit des Systems, die Patienten-spezifischen FEM ohne manuellen Aufwand diese Daten zuweisen. Das SCIRun-Netzwerk alle Modellgeneration, Simulation, Visualisierung Schritte ausführen muss nur einmal gebaut werden. Daher müssen nur die Bild Vorverarbeitung Schritte erneut durchgeführt werden, um ein Patienten-spezifischen Modell für Patienten zu erzeugen.
Der Performance-Gewinn in der Generierung von Ergebnissen aus der Modellierung-Pipeline ist durch die Integration der Gittergenerierung, bioelektrische Feldberechnungen und Visualisierung der Lösung in einer einzigen Softwareumgebung. Bestehenden Modellierungstechniken wie adaptive Mesh Generation wurden verwendet, um höhere erstellen ineinander greifen, um die Elektrode und niedriger Dichte weiter von der Elektrode, die reduziert die Zeit, zu bauen und zu lösen die FEM. Die Software, SCIRun, ermöglicht auch die Automatisierung der Gittergenerierung und bioelektrischen Feldberechnungen. Benutzerdefinierte Bewegung der Elektrode mit den interaktiven Widgets löst den Bau eines neuen Netzes mit der aktualisierten elektrodenposition. Dazu gehören der Randbedingungen und Leitfähigkeitswerte für die neue elektrodenposition zu verändern.
Die Elektroden-Geometrie wird als ein frei bewegliches Objekt innerhalb der Hirnvolumen behandelt, bevor seine Position in der FEM integriert ist Eine wichtige Implikation dieses Ansatzes für Netz-Konstruktion ist, dass mehrere Elektroden leicht in das Modell eingefügt werden können. Zum Beispiel, eine zweite Kopie der Elektroden-Geometrie kann mehrere Millimeter entfernt platziert werden und beide werden in der FEM enthalten sein In einer aktuellen Studie haben zwei Elektroden implantiert wurde, in unmittelbarer Nähe zur Behandlung multipler Sklerose Zittern13 und in nicht-menschlichen Primaten Experimente verwendet wurden, um effektive Stimulation Ziele21zu erkunden. Der Vorteil der Verwendung mehrerer Elektroden soll bessere Kontrolle über das elektrische Feld erzeugt im Gewebe über eine größere Fläche zu bieten. Stimulierung mit aktiven Kontakte an den beiden Elektroden kann aktuelle lenken, in Richtung der Zielregion und Weg von Regionen, die zu negativen Nebenwirkungen führen würde. Feinere Kontrolle der Stimulation über eine größere Fläche eignet sich auch verschiedenen Orte zu erforschen, die genaue Lage des beabsichtigten Ziels ist nicht bekannt, wie der Fall mit vielen aufstrebenden Therapieanwendungen des DBS ist. Bestimmung der Parameter, therapeutische Stimulation zu erreichen ist jedoch schwieriger als eine einzelne Elektrode aufgrund der Zunahme einer bereits große Parameterraum.
Wir uns vorstellen, dass diese interaktive Modellierungs-Tool nutzen bei der präoperativen Planung für DBS Implantation bieten könnte. Feedback über das Ausmaß der Stimulation im Hirngewebe können Chirurgen die Elektrode Position in ihren chirurgischen Plan zur therapeutischen Stimulation auf die Zielregion bieten zu ändern. DBS-Therapie der primären motivierender Faktor für die Entwicklung dieses Werkzeug war, können in diesem Beitrag vorgestellten Verfahren auf irgendwelchen FEM bioelektrische Feld mit verschiedenen Stimulation oder Aufnahme Paradigmen angewendet werden. Stimulation Therapien wie transkranielle Gleichstrom Stimulation für Depressionen22 oder die Verwendung von Tiefe Elektroden zur Behandlung von Epilepsie23 Teilen denselben Herausforderungen wie die DBS bei der Bestimmung des besten Lage der Stimulation zu erreichen therapeutische Ergebnisse. Electrocorticography, eine Aufnahmetechnik mit Arrays von Elektroden auf der Oberfläche des Gehirns, Beschlagnahme Beginn Regionen zu identifizieren hat die Herausforderung bestimmen, wo platzieren Sie die Elektroden Aufnahme von Zielregionen in der Gehirn-24. Alle diese Anwendungen sind elektrodenposition beim Umgang mit der Unsicherheit der wie Strom durch das Gehirngewebe fließt abhängig. In diesem Whitepaper vorgestellten Techniken reduzieren die Belastung der Erzeugung und Verwendung Rechenmodelle und bietet sinnvolle Feedback für Forscher und Kliniker, die mit diesen Geräten, die keine Modellierung Experten.

Tiefe Hirnstimulation (DBS) ist eine etablierte Therapie für Bewegungsstörungen wie essentiellem Tremor1 und der Parkinson-Krankheit2. Diese Therapie wird auch als mögliche Behandlung für eine wachsende Zahl von Erkrankungen einschließlich Schädel-Hirn-Verletzung-3, Tourette-Syndrom4und Depression5untersucht. DBS Systeme erfordern chirurgische Implantation einer Elektrode Blei Stimulation in einem lokalisierten Hirnregion zu modulieren, laufende neuronale Aktivität6liefern. Die Lage der Elektroden und die Stimulationsparameter wirken sich auf die Modulation der neuronalen Schaltkreise, die therapeutischen Nutzen zu bieten. Kleine Abweichungen in Lage beeinflussen das therapeutische Fenster, möglicherweise erhöht die Wahrscheinlichkeit von unerwünschten Nebenwirkungen, vor therapeutischer nutzen erreicht7,8,9. In der Praxis ist es oft schwierig, vorauszusagen, dass die Effekte-Stimulation auf die neuronale Aktivität haben wird; Daher wird dieses Fenster des therapeutischen Nutzens auf Basis von Patienten identifiziert, wie die stimulationsvorrichtung durch die Kliniker8,9programmiert ist. Dieser Prozess wird immer komplexer, sobald neue Generationen von DBS Geräte verfügbar sind. Zum Beispiel neuartige Blei Designs mit mehr Kontakte10,11,12eingeführt, und in einigen Fällen sind mehrere Leads in unmittelbarer Nähe zu einander13implantiert wird. Deshalb müssen sich in der Lage zu erkunden und die Auswirkungen des DBS über eine große und wachsende Parameterraum.
Computergestützten Modellierung und Analyse können verwendet werden, um die physiologischen und klinischen Auswirkungen der DBS auf patientenspezifischer Basis vorherzusagen. Diese Modelle verwenden Finite-Elemente-Modellierung (FEM), um drei dimensionale Darstellungen des Hirngewebes und die biophysikalischen Eigenschaften der implantierten Elektrode zu bauen. FEM bioelektrische Feld Modelle haben erfolgreich eingesetzt, um die Auswirkungen der DBS14vorherzusagen, aber bis jetzt wurden diese zeitaufwändige und rechnerisch kostspielig zu generieren. Besteht ein Bedarf für neue Modellierungstechniken, Schritt zu halten mit der zunehmenden Komplexität der DBS-Geräte. Diese Patienten-spezifischen Modelle sollen in der Nähe von visuellem Feedback in Echtzeit über die Auswirkungen der DBS als Lead-Standort oder Stimulationsparameter geändert werden. Der Benutzer würde erhalten Sie Feedback über eine Lead-Standort und Stimulation Einstellung in ein paar Sekunden, so dass weiterhin Verfeinerung der Blei-Platzierung im Laufe von mehreren Minuten. Patienten-Spezifität wird durch Einbeziehung der Anatomie des Patienten, deren Gehirn Form und Größe, beim Bau der FEM und Anwenden der biophysikalischen Eigenschaften ihres Gehirns, wie anisotrope Gewebe Leitfähigkeit erreicht. Anisotrope Leitfähigkeit beschreibt, wie Strom wird durch verschiedene Gehirnregionen verteilt und nicht-invasiv gemessen werden, für das gesamte Gehirn ähnlich wie ein Bild der typischen Magnetresonanz (MRI).
DBS Modellierung Ansätze, die nicht mit Patienten-spezifischen Informationen können schnelle, aber weniger genaue Vorhersagen der Stimulation Effekte durch generalisierte Geometrien und Leitfähigkeitswerte für Hirngewebe bereitstellen. Bei diesem Ansatz einer einzigen FEM dient für alle Patienten und der vorhergesagte neuronale Aktivität im Voraus berechnet werden kann. Patienten-spezifische Modelle nicht verallgemeinert und vorab berechnet, da eine neue FEM für jeden einzelnen gebaut ist. Diese Modelle erfordern mehr Aufwand zu bauen aber genauer. Mehrere Faktoren begrenzen die Geschwindigkeit, an dem diese Modelle gebaut und verwendet werden können: 1) Parameter zu Beginn des Gebäudes modellpipeline, wie z. B. elektrodenposition, erfordert manuellen Aufwand zur Aktualisierung aller nachfolgenden Schritte; und 2) die Schritte in der Modellierung-Pipeline sind nicht problemlos miteinander erfordert die Übergabe von Daten zwischen mehreren Softwarepaketen. Oft wollen wir viele verschiedene Situationen wie elektrodenposition, Stimulationsparameter oder Elektrode Designs bewerten. Um aussagekräftige Rückmeldung über die Wirkung zu bieten, die diese Änderungen auf die therapeutische Wirkung haben, die der Patient erhalten, sollten diese Ergebnisse korrekt und erzeugt schnell sein.
Unser Ziel ist es, neue Techniken für Gebäude patientenspezifische Modelle, die die Geschwindigkeit nutzen in generalisierten Modellen erhältlich und automatisieren viele der Pipeline Schritte interaktive Modellierungsumgebung zu schaffen, die in der Nähe von Echtzeit-Visual bietet zu präsentieren Feedback über die Auswirkungen des DBS. Eine interaktive Simulation ermöglicht einem Benutzer, Vorhersagen zu testen und schnell Ergebnisse zu erzielen, ohne auf Einzelheiten der Modellbau. Dies ist vorteilhaft, wenn es eine große Parameterraum zu erkunden und wie diese Parameter beeinflussen die Simulation sind unsicher. Beschreiben wir die Schritte in der Verarbeitungspipeline, interaktive, patientenspezifische FEM-Modelle von Magnetresonanz-Bildgebung (MRI) Übernahmen zu generieren. Nutzung der Tools und Techniken, die in diesem Dokument beschriebenen reduzieren die Kosten für die Erstellung von FEM bioelektrische Feld Modelle und bieten die Möglichkeit, diese Modelle für Forscher und Kliniker, die nicht Experten modellieren zugänglich zu machen.
Dieses Protokoll beschreibt, wie eine patientenspezifische finite-Elemente-Modell von erworbenen MRI Bände zu bauen, und dann simulieren das elektrische Feld induziert durch eine DBS-Elektrode. Die wichtigsten Schritte bei der Erstellung dieser Modelle sollen: (1) ein finite-Elemente-Modell (FEM) repräsentieren das Gehirn des Patienten und der implantierten Elektrode bauen, 2) FEM biophysikalischen Eigenschaften und Hirnstimulation Parameter des Geräts DBS hinzu, und (3) lösen die Spannung, die durch die Elektrode in das Modell generiert. Zwei bildgebende Verfahren sind erforderlich, um einen Patienten spezifische Modell für DBS Simulation zu erstellen. Ein T1-MRT wird verwendet, um Segmentierungen des Gehirns Oberfläche, Ventrikel und spezifischen Kernen zu konstruieren. Diffusion weighted Imaging (DWI), ein gewisses Maß an Wasser diffusivität dient zur Verbreitung Tensoren im gesamten Gehirn Gewebe15zu schätzen. Die Diffusion Tensoren sind Leitfähigkeit Tensoren die inhomogenen, anisotropen biophysikalischen Eigenschaften des Gewebes auf einem Voxel quantifizieren durch Voxel Basis16umgewandelt. Die Spannungsverteilung im gesamten Gehirn induziert durch die Elektrode wird durch das Lösen der Poisson-Gleichung, die durch die Anwendung der FEM zu einem linearen System von Gleichungen vereinfacht berechnet Ax = b wo A ist eine Steifigkeitsmatrix, stellt die Leitfähigkeit und Geometrie des Netzes, x ist die Lösung der Spannung an jedem Knoten im Netz, und b wird geändert, je nach Randbedingungen und Stromquellen.

<table><tbody><tr><td>FreeSurfer</td><td>Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/&quot;&gt;https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>3D Slicer</td><td>BWH, Harvard University</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;https://www.slicer.org/&quot;&gt;https://www.slicer.org/&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>SCIRun&amp;nbsp;</td><td>University of Utah Center for Integrative Biomedical Computing</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.sci.utah.edu/cibc-software/scirun.html&quot;&gt;http://www.sci.utah.edu/cibc-software/scirun.html&lt;/a&gt;</td></tr></tbody></table>

targeting neuronal fiber tracts for deep brain stimulation therapy using interactive, patient-specific models

Tiefe Hirnstimulation (DBS), die Einfügung einer Elektrode Stimulation zu einer lokalisierten Hirnregion liefern miteinbezieht, ist eine etablierte Therapie für Bewegungsstörungen und auf eine wachsende Zahl von Erkrankungen angewendet wird. Computergestützten Modellierung wird erfolgreich eingesetzt, die klinischen Wirkungen von DBS vorherzusagen; Allerdings gibt es eine Notwendigkeit für neuartige Techniken mit der wachsenden Komplexität der DBS-Geräten mithalten. Außerdem müssen diese Modelle schnell und präzise Vorhersagen zu generieren. Das Ziel dieses Projektes ist, eine Bild-Verarbeitungs-Pipeline um strukturelle Magnetresonanztomographie (MRT) und Diffusion weighted Imaging (DWI) in eine interaktive, geduldige modellspezifisch simulieren die Auswirkungen von DBS zu integrieren zu entwickeln. Eine virtuelle Führung DBS platziert werden kann, innerhalb der Patienten Modell, zusammen mit aktiven Kontakte und Stimulation Einstellungen, wo Änderungen in führende Position oder Ausrichtung eine neue finite-Elemente-Netz und Lösung des Problems bioelektrische Feld in erzeugen nahezu Echtzeit, ein Zeitspanne von ca. 10 Sekunden. Dieses System ermöglicht auch die Simulation von mehrere Leads in der Nähe um aktuelle Lenkung durch unterschiedliche Anoden und Kathoden auf verschiedenen führt zu ermöglichen. In diesem Whitepaper vorgestellten Techniken reduzieren die Belastung der Erzeugung und Verwendung Rechenmodelle und bietet aussagekräftige Rückmeldung über die Auswirkungen der elektrodenposition Elektrodenkonstruktion und Stimulation Konfigurationen für Forscher und Kliniker Wer möglicherweise nicht Modellierung Experten.

Am Ende dieses Protokolls werden alle notwendigen Eingänge zum Erstellen eines Patienten-spezifischen Modells zur Verfügung gestellt: die Oberfläche des Gehirns, Elektroden-Geometrie und Leitfähigkeit Tensoren. Ein SCIRun-Netzwerk sollte auch erstellt worden sein, der integriert alle Eingänge ein finite-Elemente-Modell zu bauen und die induzierte bioelektrische Feld zu simulieren. Das Simulationsmodell ermöglicht eine Bewegung der Elektrode im Gehirn und Änderung von Parametern wie aktive Kontakte oder Stimulation Amplitude.
Abbildung 1 zeigt die Fähigkeit zu simulieren und Faser Aktivierung Vorhersagen über mehrere Elektrodenpositionen zu vergleichen. Generation von Faser Traktate aus der Diffusionsbildgebung zeigte sich nicht in diesem Protokoll, aber diese Analyse kann mit jeder deterministische traktographie Methode durchgeführt werden. Position 2 prognostiziert eine robustere Aktivierung der Ziel-Faserbündel bei geringer Stimulation Amplituden über alle Kontakte im Vergleich zu Position 1. Diese Analyse wird während der Planungsphase der DBS Chirurgie verwendet, um die Elektrode Flugbahn zu bestimmen, die effektiv den Ziel Faser Weg fördern.
Ein neues Merkmal dieses Systems ist die Möglichkeit, schnell die Elektroden-Geometrie im Modell wechseln und die Fähigkeit, mehrere Leads in unmittelbarer Nähe zueinander zu simulieren. Beide Ansätze sind verwendet, um größere Kontrolle über die Form und die Lenkung des elektrischen Feldes um die Elektrode zu bieten. Abbildung 2 zeigt den Vergleich der Faser Aktivierung Vorhersagen zwischen einem axialsymmetrisch und eine gerichtete DBS führen während der Untersuchung führen Standorte, zentrale thalamische Faser Wege und die Vermeidung von nahe gelegenen Gebieten wie z. B. die sensorischen Kerne zu stimulieren . Für den gleichen Elektrode Bahn sehen wir, dass die gerichtete Führung Faser-Aktivierung auf die Zielregion zu lenken, während der Erregung von unerwünschten Fasern zu vermeiden kann. Diese Analyse kann verwendet werden, um festzustellen, wann wäre es notwendig, das Gerät zu ändern, die, das der Patient erhalten würde für DBS Therapie zur Stimulation des nahe gelegenen Regionen zu vermeiden, die zu unerwünschten Nebenwirkungen führen würde. Dieser Ansatz eignet sich für die Ausrichtung der subthalamic Nucleus zur Behandlung der Symptome der Parkinson-Krankheit, unter Vermeidung der nahe gelegenen Capsula.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57292/57292fig1.jpg"> Abbildung 1 : Vergleich der elektrodenposition und Prognosen der Ziel-Faser-Aktivierung. Vorhersage der gesamtfaser Bündel Aktivierung für Stimulation Amplituden (-0,5 V, -5,0 V) und alle vier Kontakte für zwei verschiedene Elektrodenpositionen. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57292/57292fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57292/57292fig2.jpg"> Abbildung 2 : Vergleich der zentralen thalamische Faser Bundle Aktivierung Vorhersagen mit axialsymmetrisch und Spurtreu DBS führt. (A) Visualisierung von beiden die Medtronic 3387 zylindrische DBS Sapiens gerichtete DBS führen und mit Aktivierung Funktion Berechnungen auf das Ziel zentrale thalamische Faserbündel für eine einzelne monopolare Stimulation Amplitude. (B) (i) ein quer-Schnitt durch die DBS Blei und Faser-Bündel. (Ii) eine zweidimensionale Projektion der Querschnittsfläche mit der Identifizierung des DBS führen, Ziel, Fasern und Fasern zu vermeiden. (C) erhöht sich die Ausbreitung der Aktivierung über Ziel Fasern und Fasern der Vermeidung als Anregung Amplitude für axialsymmetrisch und Spurtreu führen DBS. Aktivierte Fasern für eine gegebene Anregung Amplitude werden in rot angezeigt, während Fasern nicht aktiviert in blau angezeigt werden. (D) eine Zusammenstellung von allen Simulationen in Feld C, zeigt die prognostizierte Stimulation Schwelle Amplitude in allen Regionen die Faserbündel gezeigt. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57292/57292fig2large.jpg">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>

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Targeting Neuronal Fiber Tracts for Deep Brain Stimulation Therapy Using Interactive, Patient-Specific Models

Das Ziel dieses Projektes ist es, eine interaktive, Patienten-spezifischen Modellierung Pipeline um die Effekte der tiefen Hirnstimulation in nahezu in Echtzeit zu simulieren und aussagekräftige Rückmeldung, wie diese Geräte neuronalen Aktivität im Gehirn beeinflussen zu entwickeln.

Targeting neuronalen Faser Traktate für Deep Brain Stimulationstherapie mit interaktiven, patientenspezifische Modelle

Deep brain stimulation (DBS), which involves insertion of an electrode to deliver stimulation to a localized brain region, is an established therapy for ...

targeting-neuronal-fiber-tracts-for-deep-brain-stimulation-therapy

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.8K Aufrufe.  University of Utah. Das Ziel dieses Projektes ist es, eine interaktive, Patienten-spezifischen Modellierung Pipeline um die Effekte der tiefen Hirnstimulation in nahezu in Echtzeit zu simulieren und aussagekräftige Rückmeldung, wie diese Geräte neuronalen Aktivität im Gehirn beeinflussen zu entwickeln.

Serie: Targeting Neuronal Fiber Tracts for Deep Brain Stimulation Therapy Using Interactive, Patient-Specific Models

Intra-Operative Behavioral Tasks in Awake Humans Undergoing Deep Brain Stimulation Surgery

Deep brain stimulation (DBS) is a surgical procedure that directs chronic, high frequency electrical stimulation to specific targets in the brain through implanted electrodes. Deep brain stimulation was first implemented as a therapeutic modality by Benabid et al. in the late 1980s, when he used this technique to stimulate the ventral intermediate nucleus of the thalamus for the treatment of tremor 1. Currently, the procedure is used to treat patients who fail to respond adequately to medical management for diseases such as Parkinson's, dystonia, and essential tremor. The efficacy of this procedure for the treatment of Parkinson's disease has been demonstrated in well-powered, randomized controlled trials 2. Presently, the U.S. Food and Drug Administration has approved DBS as a treatment for patients with medically refractory essential tremor, Parkinson's disease, and dystonia. Additionally, DBS is currently being evaluated for the treatment of other psychiatric and neurological disorders, such as obsessive compulsive disorder, major depressive disorder, and epilepsy. 
DBS has not only been shown to help people by improving their quality of life, it also provides researchers with the unique opportunity to study and understand the human brain. Microelectrode recordings are routinely performed during DBS surgery in order to enhance the precision of anatomical targeting. Firing patterns of individual neurons can therefore be recorded while the subject performs a behavioral task. Early studies using these data focused on descriptive aspects, including firing and burst rates, and frequency modulation 3. More recent studies have focused on cognitive aspects of behavior in relation to neuronal activity 4,5. This article will provide a description of the intra-operative methods used to perform behavioral tasks and record neuronal data with awake patients during DBS cases. Our exposition of the process of acquiring electrophysiological data will illuminate the current scope and limitations of intra-operative human experiments.

Deep brain stimulation surgery offers a unique opportunity to examine information encoding in the awake human brain. This article will describe intra-operative methods used to perform cognitive and behavioral tasks while simultaneously acquiring physiological data such as EMG, single-unit neuronal activity and/or local field potentials.

Intra-Operative Behavioral Aufgaben in Awake Humans Undergoing Deep Brain Stimulation Chirurgie

Deep brain stimulation (DBS) is a surgical procedure that directs chronic, high frequency electrical stimulation to specific targets in the brain through ...

Forschung

Medizin

A General Method for Evaluating Deep Brain Stimulation Effects on Intravenous Methamphetamine Self-Administration

Substance use disorders, particularly to methamphetamine, are devastating, relapsing diseases that disproportionally affect young people. There is a need for novel, effective and practical treatment strategies that are validated in animal models. Neuromodulation, including deep brain stimulation (DBS) therapy, refers to the use of electricity to influence pathological neuronal activity and has shown promise for psychiatric disorders, including drug dependence. DBS in clinical practice involves the continuous delivery of stimulation into brain structures using an implantable pacemaker-like system that is programmed externally by a physician to alleviate symptoms. This treatment will be limited in methamphetamine users due to challenging psychosocial situations. Electrical treatments that can be delivered intermittently, non-invasively and remotely from the drug-use setting will be more realistic. This article describes the delivery of intracranial electrical stimulation that is temporally and spatially separate from the drug-use environment for the treatment of IV methamphetamine dependence. Methamphetamine dependence is rapidly developed in rodents using an operant paradigm of intravenous (IV) self-administration that incorporates a period of extended access to drug and demonstrates both escalation of use and high motivation to obtain drug.

This article describes the delivery of intracranial electrical stimulation that is temporally and spatially separate from the drug-use environment for the treatment of IV methamphetamine dependence.

Ein allgemeines Verfahren zur Bewertung der Tiefe Hirnstimulation Auswirkungen auf intravenöse Methamphetamine Selbstverwaltung

Substance use disorders, particularly to methamphetamine, are devastating, relapsing diseases that disproportionally affect young people.  There is a need ...

Verhalten

Non-Invasive Electrical Brain Stimulation Montages for Modulation of Human Motor Function

Non-invasive electrical brain stimulation (NEBS) is used to modulate brain function and behavior, both for research and clinical purposes. In particular, NEBS can be applied transcranially either as direct current stimulation (tDCS) or alternating current stimulation (tACS). These stimulation types exert time-, dose- and in the case of tDCS polarity-specific effects on motor function and skill learning in healthy subjects. Lately, tDCS has been used to augment the therapy of motor disabilities in patients with stroke or movement disorders. This article provides a step-by-step protocol for targeting the primary motor cortex with tDCS and transcranial random noise stimulation (tRNS), a specific form of tACS using an electrical current applied randomly within a pre-defined frequency range. The setup of two different stimulation montages is explained. In both montages the emitting electrode (the anode for tDCS) is placed on the primary motor cortex of interest. For unilateral motor cortex stimulation the receiving electrode is placed on the contralateral forehead while for bilateral motor cortex stimulation the receiving electrode is placed on the opposite primary motor cortex. The advantages and disadvantages of each montage for the modulation of cortical excitability and motor function including learning are discussed, as well as safety, tolerability and blinding aspects.

Non-invasive electrical brain stimulation can modulate cortical function and behavior, both for research and clinical purposes. This protocol describes different brain stimulation approaches for modulation of the human motor system.

Nicht-invasive Stimulation des Gehirns Montagen für die Modulation der Menschen Motor Function

Non-invasive electrical brain stimulation (NEBS) is used to modulate brain function and behavior, both for research and clinical purposes. In particular, ...

Deep Brain Stimulation with Simultaneous fMRI in Rodents

In order to visualize the global and downstream neuronal responses to deep brain stimulation (DBS) at various targets, we have developed a protocol for using blood oxygen level dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) to image rodents with simultaneous DBS. DBS fMRI presents a number of technical challenges, including accuracy of electrode implantation, MR artifacts created by the electrode, choice of anesthesia and paralytic to minimize any neuronal effects while simultaneously eliminating animal motion, and maintenance of physiological parameters, deviation from which can confound the BOLD signal.&#160;Our laboratory has developed a set of procedures that are capable of overcoming most of these possible issues. For electrical stimulation, a homemade tungsten bipolar microelectrode is used, inserted stereotactically at the stimulation site in the anesthetized subject. In preparation for imaging, rodents are fixed on a plastic headpiece and transferred to the magnet bore. For sedation and paralysis during scanning, a cocktail of dexmedetomidine and pancuronium is continuously infused, along with a minimal dose of isoflurane; this preparation minimizes the BOLD ceiling effect of volatile anesthetics. In this example experiment, stimulation of the subthalamic nucleus (STN) produces BOLD responses which are observed primarily in ipsilateral cortical regions, centered in motor cortex. Simultaneous DBS and fMRI allows the unambiguous modulation of neural circuits dependent on stimulation location and stimulation parameters, and permits observation of neuronal modulations free of regional bias. This technique may be used to explore the downstream effects of modulating neural circuitry at nearly any brain region, with implications for both experimental and clinical DBS.

This protocol describes a standard method for simultaneous functional magnetic resonance imaging and deep brain stimulation in the rodent. The combined use of these experimental tools allows for the exploration of global downstream activity in response to electrical stimulation at virtually any brain target.

Deep Brain Stimulation mit gleichzeitiger fMRT in Nagetiere

In order to visualize the global and downstream neuronal responses to deep brain stimulation (DBS) at various targets, we have developed a protocol for ...

Neurowissenschaften

Individualized rTMS Treatment for Depression using an fMRI-Based Targeting Method

To achieve greater clinical efficacy, a revolution in treatment for major depressive disorder (MDD) is highly anticipated. Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is a non-invasive and safe neuromodulation technique that immediately changes brain activity. Despite its wide application in the treatment for MDD, the treatment response remains different among individuals, which may be attributable to the inaccurate positioning of the stimulation target. Our study aims to examine whether the functional magnetic resonance imaging (fMRI)-assisted positioning improves the efficacy of rTMS in treating depression. We intend to identify and stimulate the subregion of dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) in MDD with strongest anti-correlation with the subgenual anterior cingulate cortex (sgACC), and to conduct a comparative investigation of this novel method and the traditional 5-cm rule. To achieve more precise stimulation, both methods were applied under the guidance of neuronavigation system. We expected that the TMS treatment with individualized positioning based on resting state functional connectivity may show better clinical efficacy than the 5-cm method.

The present protocol describes the application of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS), where a subregion of the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) with the strongest functional anticorrelation with the subgenual anterior cingulate cortex (sgACC) was located as the stimulation target under the assistance of a fMRI-based neuronavigation system.

Individualisierte rTMS-Behandlung von Depressionen mit einer fMRT-basierten Targeting-Methode

To achieve greater clinical efficacy, a revolution in treatment for major depressive disorder (MDD) is highly anticipated. Repetitive transcranial ...

Analysis of Gene Expression Changes in the Rat Hippocampus After Deep Brain Stimulation of the Anterior Thalamic Nucleus

Deep brain stimulation (DBS) surgery, targeting various regions of the brain such as the basal ganglia, thalamus, and subthalamic regions, is an effective treatment for several movement disorders that have failed to respond to medication. Recent progress in the field of DBS surgery has begun to extend the application of this surgical technique to other conditions as diverse as morbid obesity, depression and obsessive compulsive disorder. Despite these expanding indications, little is known about the underlying physiological mechanisms that facilitate the beneficial effects of DBS surgery. One approach to this question is to perform gene expression analysis in neurons that receive the electrical stimulation. Previous studies have shown that neurogenesis in the rat dentate gyrus is elicited in DBS targeting of the anterior nucleus of the thalamus1. DBS surgery targeting the ATN is used widely for treatment refractory epilepsy. It is thus of much interest for us to explore the transcriptional changes induced by electrically stimulating the ATN. In this manuscript, we describe our methodologies for stereotactically-guided DBS surgery targeting the ATN in adult male Wistar rats. We also discuss the subsequent steps for tissue dissection, RNA isolation, cDNA preparation and quantitative RT-PCR for measuring gene expression changes. This method could be applied and modified for stimulating the basal ganglia and other regions of the brain commonly clinically targeted. The gene expression study described here assumes a candidate target gene approach for discovering molecular players that could be directing the mechanism for DBS.

The mechanism underlying the therapeutic effects of Deep Brain Stimulation (DBS) surgery needs investigation. The methods presented in this manuscript describe an experimental approach to examine the cellular events triggered by DBS by analyzing the gene expression profile of candidate genes that can facilitate neurogenesis post DBS surgery.

Die Analyse der Genexpression Veränderungen im Hippocampus Ratte nach Tiefenhirnstimulation des Anterior Thalamuskern

Deep brain stimulation (DBS) surgery, targeting various regions of the brain such as the basal ganglia, thalamus, and subthalamic regions, is an effective ...

MRI-guided dmPFC-rTMS as a Treatment for Treatment-resistant Major Depressive Disorder

Here we outline the protocol for magnetic resonance imaging (MRI) guided repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) to the dorsal medial prefrontal cortex (dmPFC) in patients with major depressive disorder (MDD). Technicians used a neuronavigation system to process patient MRIs to generate a 3-dimensional head model. The head model was subsequently used to identify patient-specific stimulatory targets. The dmPFC was stimulated daily for 20 sessions. Stimulation intensity was titrated to address scalp pain associated with rTMS. Weekly assessments were conducted on the patients using the Hamilton Rating Scale for Depression (HamD17) and Beck Depression Index II (BDI-II). Treatment-resistant MDD patients achieved significant improvements on both HAMD and BDI-II. Of note, angled, double-cone coil rTMS at 120% resting motor threshold allows for optimal stimulation of deeper midline prefrontal regions, which results in a possible therapeutic application for MDD. One major limitation of the rTMS field is the heterogeneity of treatment parameters across studies, including duty cycle, number of pulses per session and intensity. Further work should be done to clarify the effect of stimulation parameters on outcome. Future dmPFC-rTMS work should include sham-controlled studies to confirm its clinical efficacy in MDD.

Here we outline the procedure for MRI-guided repetitive transcranial magnetic stimulation to the dorsomedial prefrontal cortex as an experimental treatment for major depressive disorder.

MRI-geführte dmPFC-rTMS zur Behandlung behandlungsresistente Major Depressive Disorder

Here we outline the protocol for magnetic resonance imaging (MRI) guided repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) to the dorsal medial ...

Stimulation Location Determination using a 3D Digitizer with High-Definition Transcranial Direct Current Stimulation

The abundance of neuroimaging data and rapid development of machine learning has made it possible to investigate brain activation patterns. However, causal evidence of brain area activation leading to a behavior is often left missing. Transcranial direct current stimulation (tDCS), which can temporarily alter brain cortical excitability and activity, is a noninvasive neurophysiological tool used to study causal relationships in the human brain. High-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) is a noninvasive brain stimulation (NIBS) technique that produces a more focal current compared to conventional tDCS. Traditionally, the stimulation location has been roughly determined through the 10-20 EEG system, because determining precise stimulation points can be difficult. This protocol uses a 3D digitizer with HD-tDCS to increase accuracy in determination of stimulation points. The method is demonstrated using a 3D digitizer for more accurate localization of stimulation points in the right temporo-parietal junction (rTPJ).

Presented here is a protocol to achieve higher accuracy in determination of stimulation location combining a 3D digitizer with high-definition transcranial direct current stimulation.

Stimulationspositionsbestimmung mit einem 3D-Digitizer mit high-Definition Transkranialer Gleichstromstimulation

The abundance of neuroimaging data and rapid development of machine learning has made it possible to investigate brain activation patterns. However, ...

Measuring and Manipulating Functionally Specific Neural Pathways in the Human Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation

Understanding interactions between brain areas is important for the study of goal-directed behavior. Functional neuroimaging of brain connectivity has provided important insights into fundamental processes of the brain like cognition, learning, and motor control. However, this approach cannot provide causal evidence for the involvement of brain areas of interest. Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a powerful, noninvasive tool for studying the human brain that can overcome this limitation by transiently modifying brain activity. Here, we highlight recent advances using a paired-pulse, dual-site TMS method with two coils that causally probes cortico-cortical interactions in the human motor system during different task contexts. Additionally, we describe a dual-site TMS protocol based on cortical paired associative stimulation (cPAS) that transiently enhances synaptic efficiency in two interconnected brain areas by applying repeated pairs of cortical stimuli with two coils. These methods can provide a better understanding of the mechanisms underlying cognitive-motor function as well as a new perspective on manipulating specific neural pathways in a targeted fashion to modulate brain circuits and improve behavior. This approach may prove to be an effective tool to develop more sophisticated models of brain-behavior relations and improve diagnosis and treatment of many neurological and psychiatric disorders.

This article describes new approaches to measure and strengthen functionally specific neural pathways with transcranial magnetic stimulation. These advanced noninvasive brain stimulation methodologies can provide new opportunities for the understanding of brain-behavior relations and development of new therapies to treat brain disorders.

Messung und Manipulation funktionell spezifischer neuronaler Bahnen im menschlichen Motorsystem mit transkranieller Magnetstimulation

Understanding interactions between brain areas is important for the study of goal-directed behavior. Functional neuroimaging of brain connectivity has ...

Optimierung der Tiefenhirnstimulation bei Patienten mit neurologischen Erkrankungen

Bringing the Clinic Home: An At-Home Multi-Modal Data Collection Ecosystem to Support Adaptive Deep Brain Stimulation

Adaptive deep brain stimulation (aDBS) shows promise for improving treatment for neurological disorders such as Parkinson's disease (PD). aDBS uses symptom-related biomarkers to adjust stimulation parameters in real-time to target symptoms more precisely. To enable these dynamic adjustments, parameters for an aDBS algorithm must be determined for each individual patient. This requires time-consuming manual tuning by clinical researchers, making it difficult to find an optimal configuration for a single patient or to scale to many patients. Furthermore, the long-term effectiveness of aDBS algorithms configured in-clinic while the patient is at home remains an open question. To implement this therapy at large scale, a methodology to automatically configure aDBS algorithm parameters while remotely monitoring therapy outcomes is needed. In this paper, we share a design for an at-home data collection platform to help the field address both issues. The platform is composed of an integrated hardware and software ecosystem that is open-source and allows for at-home collection of neural, inertial, and multi-camera video data. To ensure privacy for patient-identifiable data, the platform encrypts and transfers data through a virtual private network. The methods include time-aligning data streams and extracting pose estimates from video recordings. To demonstrate the use of this system, we deployed this platform to the home of an individual with PD and collected data during self-guided clinical tasks and periods of free behavior over the course of 1.5 years. Data were recorded at sub-therapeutic, therapeutic, and supra-therapeutic stimulation amplitudes to evaluate motor symptom severity under different therapeutic conditions. These time-aligned data show the platform is capable of synchronized at-home multi-modal data collection for therapeutic evaluation. This system architecture may be used to support automated aDBS research, to collect new datasets and to study the long-term effects of DBS therapy outside the clinic for those suffering from neurological disorders.

Autor im Rampenlicht: Automatisierte tiefe Hirnstimulation bei Parkinson - Erforschung der Möglichkeiten und Herausforderungen der Heimüberwachung 

The protocol shows a prototype of the at-home multi-modal data collection platform that supports research optimizing adaptive deep brain stimulation (aDBS) for people with neurological movement disorders. We also present key findings from deploying the platform for over a year to the home of an individual with Parkinson's disease.

Die Klinik nach Hause bringen: Ein multimodales Ökosystem für die Datenerfassung zu Hause zur Unterstützung der adaptiven tiefen Hirnstimulation

Adaptive deep brain stimulation (aDBS) shows promise for improving treatment for neurological disorders such as Parkinson's disease (PD). aDBS uses ...