通用tDCS蒙太奇电流方向的个体间变化

Abstract

​ 相对于皮层表面的外加电流方向是经颅直流电刺激（tDCS）效应的关键决定因素。解剖结构的个体间差异影响皮质靶点电流方向的一致性。然而，这种可变性的程度尚不确定。使用电流模型（CFM），我们量化了皮质靶区（左初级运动皮质，M1）tDCS电流方向的个体间差异性。使用圆形电极对三种靶向M1的蒙太奇进行了比较：

• PA-tDCS定向电流垂直于中央沟，在相对于M1的前-后方向放置电极；
• ML-tDCS定向电流平行于中央沟，在中-外侧方向放置电极；
• 传统tDCS在M1和对侧前额叶上放置电极。

​ 在数据集的50个健康大脑扫描中，我们从沟束（$M1_{BANK}$）和回冠（$M1_{CROWN}$）以及邻近初级躯体感觉皮层（$S1_{BANK}$和$S1_{CROWN}$）的灰质表面提取电流方向和强度。

​ 结果证实，在所有蒙太奇中电流方向的个体间差异显著（50%-150%）。PA-tDCS产生的径向内向电流主要位于$M1_{BANK}$，而对于传统tDCS，则聚集在$M1_{CROWN}$。相比之下，ML-tDCS电流更具切向性，这伴随着较弱的体细胞极化。

​ M1不同功能的子区的径向内向电流差异提出了一个可检验的假设，即PA-tDCS和传统tDCS通过不同机制调节皮层兴奋性。我们表明，电极位置可用于近似M1和中央前回的电流方向，为tDCS应用提供了一种参考的方法，以解决假设，而无需MRI。

​ 电流方向上的个体间差异可能导致这些方案报告的可变神经调节效应，强调需要个性化电极蒙太奇，包括电流方向的控制。

Intro

​ 经颅直流电刺激（tDCS）是一种无创性脑刺激技术，用于调节大脑活动。然而，tDCS的影响往往是可变的，限制了其功效。tDCS通常使用固定电极蒙太奇和固定剂量（例如1 mA）应用。这种一刀切的方法不能解释解剖结构的个体间差异，并导致受试者之间tDCS电流轨迹的不同。使用电流流动模型（CFM），tDCS有助于实现tDCS刺激的个性化。这种方法试图通过最大化靶区场强和聚焦性减少tDCS结果的可变性并通过最小化个人之间的电场变化。 然而，在可变性或电流大小控制的背景下很少讨论电流方向。

​ 电流方向相对于受刺激神经元的somatodendritic axes的方向是tDCS生理影响的主要决定因素。平行于somatodendritic axes流动的电流-此处称为“径向”方向-可导致体细胞去极化或超极化：电流从树突流向胞体会导致去极化，而电流从胞体流向树突会导致超极化。相比之下，与somatodendritic axes正交的电流（此处称为“切线”方向）导致很少或没有极化。

图1 电流的极化效应取决于皮层的方向。当电流从树突流向胞体（径向向内）时，发生去极化（D），当电流从胞体流向树突时（径向向外），发生超极化（H），而当电流与神经元的树突轴（切向）正交时，几乎没有极化。

​ 刺激效果不仅仅是躯体极化的结果，tDCS缺乏精确性，无法专门针对特定的神经元群体。然而，刺激的“净效应”可以通过皮质靶区电流的主导方向来近似表示。由于锥体神经元的方向是长树突指向皮层表面，皮层表面为锥体神经元在主要皮层刺激目标内的方向提供了一个参考指标。

​ tDCS通常是通过将阳极或阴极放置在靶点上来分别增加或减少底层神经元的兴奋性。然而，电极下方大脑中电流的方向受皮层折叠的影响，形态差异导致电流路径出现局部波动。缓解这种情况的一种方法是将皮层靶区置于电极之间，从而使靶电流方向更加均匀。Rawji及其同事证明，与中-外侧（M-L）电极放置相比，当tDCS电极垂直于主运动皮层（M1）的后-前（P-A）方向，且两侧都是靶向时，运动兴奋性的变化更为一致。对此的一个可能解释是，位于中央前回后缘的M1 hand区域的径向电流变得更加一致。

​ 在此，我们评估了M1的电流方向是否因所用蒙太奇而不同，以及不同蒙太奇是否会在M1的不同分区（bank和crown）产生更大的径向电流。我们还评估了对于不同的蒙太奇的电流方向的个体间差异性。最后，我们证明了基于标记EEG位置的电极位置如何能够估计M1区域和中央前回中的电流方向，从而提供了一种实用的解决方案，以减少电流方向的变化，将电流定向到皮质目标。当无法获得单个MRI或当前电流流动建模专业知识时，此方法非常有用。

​ 当通过针对左M1的三个蒙太奇传递固定强度tDCS时，电流方向在灰质表面和M1中被量化：

• 后-前（PA-tDCS）蒙太奇，阳极和阴极位于M1hand区域的后面和前边，电流方向垂直于中央沟
• 中间-侧面（ML-tDCS）蒙太奇，阳极和阴极放置在M1hand区域的内侧靠大脑中间和外侧面，电流方向平行于中央沟
• 传统蒙太奇（常规tDCS），阳极在M1上方，阴极在对侧前额上方。

​ 我们还比较了初级运动皮层（M1）和感觉皮层（S1）的沟束（sulcal bank）和回冠（gyral crown）的电流方向和强度。

Materials and methods

图3.单个对象中每个电极蒙太奇的电流方向。电流方向（表面法线（S）和电场（EF）矢量之间的角度）在整个大脑（A）、中央前回和中央后回（B）以及单个M1和S1组和冠ROI（C）上进行描述。河岸和路拱数据分别使用实线框和虚线框表示。ROI位置用紫色（M1BANK&M1CROWN）和黄色（S1BANK&S1CROWN）表示。注意在M1BANK和S1BANK中应用后前蒙太奇（PA tDCS）时，径向向内和向外电流相反。传统的tDCS在M1冠和S1冠中产生相对一致的径向向内电流，而中侧向蒙太奇（ML tDCS）在所有ROI中产生切向电流。

Structural MRIs

​ 从Human Connectome Project（HCP）数据库中随机选择50例健康成年人（年龄22-35岁，男性21例，女性29例）的T1加权结构磁共振成像(http://ida.loni.usc.edu/login/jsp).

current flow modeling

​ tDCS的电场建模采用真实视觉方法来模拟经颅电刺激（ROAST v3.0）软件包。

tDCS protocol

​ 电流通过三个用户定义的双极电极蒙太奇获得，使用10–10坐标瞄准左M1的hand 区域：

• 前-后（PA）蒙太奇将电极放置在M1 hand区域的前后，电流在前后方向垂直于中央沟（CP3：阳极，FCz：阴极）

• 中-外侧（ML）蒙太奇将电极放置于M1 hand区域的内侧和外侧，电流方向平行于中央沟（CPz：阳极，FC3：阴极）

• 电极位于M1和对侧前额上方的传统蒙太奇（阳极：C1，阴极：FP2）。

所有仿真均使用2 mA强度和圆盘电极（半径17 mm，高度2 mm）。

灰质表面生成

​ 为了确定皮质表面的电流方向，使用HCP数据库中的软脑膜和白质表面网格生成了灰质表面网格。HCP使用FreeSurfer 5.1软件提取软脑膜和白质表面加上定制步骤以提高表面精度（更多详细信息，请参见（Glasser等人，2013））。使用这些HCP表面，我们首先将软脑膜和白质的左半球和右半球表面组合成一个表面。然后，通过移除FreeSurfer引入的中心体素到RAS偏移，将曲面转换回原始体积空间。然后对软脑膜和白质表面的顶点进行平均，以创建最终的灰质表面（各受试者的顶点：M=275377，SD=23755；面部：M=550747，SD=47510，用于提取ROAST产生的E场矢量。

Regions of interest (ROI)

​ 为了量化三个电极蒙太奇和个体受试者之间的电流方向，使用MATLAB创建了受试者特定的皮层表面ROI。ROI是M1和S1的沟束和回冠上创建的（即$M1_{BANK}$和$S1_{BANK}$；$M1_{CROWN}$和$S1_{CROWN}$）。

​ 使用灰质表面网格，通过视觉识别中央沟前方的“hand knob”形状，对M1进行定位。在“hand knob”的弧线处，M1BANK的中心标记在中央前回后缘的一半以下。根据这些坐标，使用MATLAB的knnsearch（k-最近邻）函数确定灰质表面网格的最近顶点。S1BANK的中心是通过视觉识别中央后回前侧M1BANK中心对面的等效点来选择的。M1和S1的冠ROI（$M1_{CROWN}$和$S1_{CROWN}$）是通过在bank ROI中心上方标记回冠中心来创建的（图2）。

从灰质表面提取电场

​ 利用MATLAB和SPM12，将ROAST模型体素空间中的电场矢量映射到灰质表面空间。为此，使用MATLAB的knnsearch确定了与灰质表面法向量（垂直于表面的内法向量）最近的电场向量。电场矢量的这一子集提供了每个ROI中以灰度体素表示的估计电流方向和强度。

计算皮质表面的电流方向

​ 为了确定电流相对于灰质表面的方向（也就是锥体神经元的主导方向），在曲面法向量（$S$） 和电场矢量($𝐸𝐹$) 之间的角度$𝜃_{𝑆𝐸𝐹}$ 被计算。表面法向量可以很好地代表锥体神经元的主要方向，因为它们的主轴指向皮层表面。矢量之间的角度($𝜃_{𝑆𝐸𝐹}$) 在整个灰质表面和每个ROI内进行计算。

提取皮层表面电场的代码如下：https://github.com/caryse/tdcs_currentdirection/ .

使用头皮电极控制电流方向

​ 最后，我们试图确定当电极位于目标的两侧时，基于标记的头皮电极定位是否可以近似于流过目标M1区域的期望电流方向。这可以提供一种简单易行的方法来控制目前尚不存在的沟束电流方向。

​ 对PA-tDCS和ML-tDCS进行了两种情况下的分析：电极相对于M1BANK ROI方向的位置和个体受试者的“运动带”。这些分析确定了电极位置在多大程度上提供了对皮质靶区电流方向的估计，以及在可能无法获得单独扫描或电流建模专业知识的情况下的实际解决方案。基于在曲面法向量（$S$） 和电场矢量($𝐸𝐹$) 之间的角度$𝜃_{𝑆𝐸𝐹}$ , 可以调整电极位置以实现所需的电流方向。概念见图7。

图7.使用电极位置来近似M1BANK和运动带中的电流方向。（A） PA-tDCS用电极位置（EL）近似的电流方向概念。电流径向向内流入目标区域的程度可以通过计算EL矢量（阳极到阴极）和目标ROI（M1BANK：平均表面法向量）或目标脑回（运动带方向矢量：内侧到外侧）之间的角度来估计。（B/C）当目标为M1BANK（B）或运动带（C）时，PA和ML tDCS的EL近似电流方向之间的角度（度）。数据点用颜色和y轴表示角度来表示个体受试者。黑色数据点和误差条：各科目的平均误差和标准误差。注：0°表示绝对径向内向电流；90° 绝对切向和180°绝对径向向外。

​ 通过每个受试者的每个电极（阳极到阴极）中心坐标之间的矢量估计电极位置近似的电流方向。M1BANK的方向被确定为每个受试者M1BANK ROI的平均表面法向量。为了确定“运动带”的主导方向，我们使用了中央前回（内侧到外侧）两端坐标之间的矢量。使用灰质表面网格作为中央前回冠部纵裂前的最中间点和外侧裂前冠部的最外侧点， 视觉识别运动带坐标

​ 为了保持与使用表面法向量获得的数据的一致性，在角度计算中使用了与运动带向量正交的向量（从后到前），因此零度表示绝对径向向内电流，90度表示绝对切向电流，180°表示绝对径向向外。通常，运动带矢量就足够了。

数据分析

​ 使用R-v4.0.3对RStudio v1.3.1093中的电流方向和强度进行统计分析。α水平为0.05，Bonferroni校正用于事后多重比较。

​ 使用平均角度($𝜃_{𝑆𝐸𝐹}$ ) 在每个ROI内，线性混合效应模型根据蒙太奇（PA/ML/传统）、Gyrus（M1/S1）、ROI（sulcal Bank/gyral Crown）和相关交互蒙太奇x Gyru、蒙太奇x ROI和Gyrus-x ROI评估当前方向的差异。受试者被列为截获的随机效应。事后两两比较探讨了线性模型中观察到的主要效应和相互作用。此外，我们使用相同的线性混合效应模型和事后比较比较了电场强度，但将平均电场强度（V/m）作为因变量。

​ 最后，Pearson相关性评估了每种情况下电流方向和电场强度之间的关系。相关性还检查了电流模型近似的皮质靶M1BANK中的电流方向与电极位置近似的电流方向之间是否存在良好的对应关系

Results

对于不同的蒙太奇，穿过皮质表面的电流方向不同

​ 首先，我们为每个电极蒙太奇量化了穿过灰质表面的电流方向（角度，以度为单位）。在所有蒙太奇中，径向内向电流（图3、4和6中的红色）在阳极下方的旋回冠中最为突出，而径向外向电流（图三、4和图6中的蓝色）在阴极下方最为突出。除此之外，电流模式在电极蒙太奇之间变化很大（参见图3A）。

​ 当应用PA tDCS时，观察到向内和向外径向电流的条纹模式，在电极之间的沟的前后岸之间交替（图3A顶行）。这在左后到右前模式中最明显，与蒙太奇的阳极和阴极位置一致。在旋冠上，电流主要是相对于皮质表面的切向流动（图3、4和6中的绿色），阳极和阴极下方的区域除外。

​ ML-tDCS（图3A中行）在相对的右后-左前模式下，在相对的脑沟中产生类似的向内和向外放射状电流。与PA tDCS不同，切向电流主要发生在中央沟前和中央沟后河岸。考虑到ML tDCS沿着陀螺仪引导电流，而不是使用PA tDCS时的垂直方向，这是可以预期的（Rawji等人，2018）。
​ 与PA tDCS或ML tDCS不同，传统tDCS的向内和向外径向电流（图3A底行）主要位于脑回冠部。在电极之间的槽组上观察到切向电流（图3）

图3. 单个对象中每个电极蒙太奇的电流方向。电流方向（表面法线（S）和电场（EF）矢量之间的角度）在整个大脑（A）、中央前回和中央后回（B）以及单个M1和S1组和冠ROI（C）上进行描述。bank和crown数据分别使用实线框和虚线框表示。ROI位置用紫色（M1BANK&M1CROWN）和黄色（S1BANK&S1CROWN）表示。注意在M1BANK和S1BANK中应用后前蒙太奇（PA tDCS）时，径向向内和向外电流相反。传统的tDCS在M1冠和S1冠中产生相对一致的径向向内电流，而中侧向蒙太奇（ML tDCS）在所有ROI中产生切向电流。

图4.不同蒙太奇和皮层位置的个体间电流方向变异。每个蒙太奇（PA、ML、传统）、脑回（M1/S1）和ROI（Bank/Crown）的每个受试者的表面法线和电场矢量之间的平均角度（度）。数据点代表单个受试者，半径表示电场强度（V/m），颜色和y轴表示表面法线和电流方向之间的角度。黑色数据点和误差条：各科目的平均误差和标准误差。注意电流方向上的广泛个体间差异，无论蒙太奇是什么：后前（PA）、中外侧（ML）和常规。

M1和S1中的电流方向在不同电极蒙太奇有明显不同

使用每个ROI内表面法线和Efield矢量之间的平均角度（度），线性混合效应模型量化了电流方向是否因蒙太奇（PA/ML/传统）、Gyrus（M1/S1）和ROI（Bank/Crown）而不同。该分析证实，上述流过M1和S1，Bank和Crown的电流模式分别取决于电极蒙太奇。接下来，我们研究M1和S1 bank中蒙太奇的电流方向，然后是M1和S1 crown。

PA-tDCS在M1BANK中产生径向内向电流，但在S1BANK产生反向外向电流

​ 事后两两比较首先确定在目标区域M1BANK中哪个蒙太奇产生了较大的径向内向电流，以及在S1BANK是否观察到类似的电流方向。

传统tDCS向M1 CROWN和S1CROWN提供径向向内电流

PA tDCS在M1和S1的bank和crown产生最高电流强度

无论电极蒙太奇如何，电流方向的个体间差异性都很高

电流方向和电场强度基本无关

电极位置可以准确地近似皮层靶中的电流方向

Using current flow modelling, the current data allows us to apply simple heuristics as to where electrodes could be placed to maximise radial inward or outward current in any cortical target in an individual, assuming this to be a key factor for the physiological effect of tDCS