Extraction Potentiels évoqués visuels de l'EEG données enregistrées pendant l'IRMf guidée stimulation magnétique transcrânienne
Summary
Ce document décrit une méthode de collecte et d'analyse de l'électroencéphalographie (EEG) des données lors de la stimulation magnétique transcrânienne concurrente (TMS) guidée par activations révélées par imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Une méthode pour TMS artefact enlèvement et l'extraction des événements liés potentiels est décrite ainsi que les considérations en matière de conception de paradigme et expérimental.
Abstract
La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est une méthode efficace pour établir un lien de causalité entre une zone corticale et les effets cognitifs / neurophysiologiques. Plus précisément, en créant une atteinte transitoire avec l'activité normale d'une région cible et mesurer les changements dans un signal électrophysiologique, nous pouvons établir un lien de causalité entre la zone du cerveau stimulées ou réseau et le signal électrophysiologique que nous enregistrons. Si les zones cible du cerveau sont définies fonctionnellement avec scanner IRMf avant, TMS pourrait être utilisé pour relier les activations IRMf avec des potentiels évoqués enregistrés. Cependant, la réalisation de ces expériences présente des défis techniques importants, compte tenu des artefacts de grande amplitude introduites dans le signal EEG par l'impulsion magnétique, et la difficulté de cibler avec succès les zones qui ont été fonctionnellement définis par IRMf. Nous décrivons ici une méthode pour combiner ces trois outils communs: TMS, EEG et IRMf. Nous expliquons comment guider le stimulateur & #39; bobine à la zone cible souhaitée à l'aide des données d'IRM anatomiques ou fonctionnelles, comment enregistrer l'EEG au cours concurrente TMS, comment concevoir une étude d'ERP adapté à combinaison EEG-TMS et comment extraire ERP fiable à partir des données enregistrées. Nous allons fournir des résultats représentatifs d'une étude publiée précédemment, dans lequel TMS IRMf guidée a été utilisé en même temps que l'EEG pour montrer que le N1 de face-sélectif et la composante N1 corps sélectif de l'ERP sont associés à des réseaux neuronaux distincts dans le cortex extrastrié. Cette méthode nous permet de combiner la haute résolution spatiale de l'IRMf avec la haute résolution temporelle de TMS et EEG et donc obtenir une compréhension globale de la base neurale de divers processus cognitifs.
Introduction
La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) génère des interférences momentanée de l'activité neuronale normale dans les zones cibles du cerveau. En créant cette interférence neurale transitoire et la mesure d'un changement de comportement ou physiologique, nous pouvons établir un lien de causalité entre la zone cible et l'effet expérimental mesurée (pour une revue voir Pascual-Leone et al. Et Taylor et al. 1,2). Un tel effet expérimental peut être, par exemple, une performance sur une tâche cognitive ou un changement de (EEG) activité électrophysiologique. En effet, au cours des dernières années, les chercheurs ont commencé à utiliser TMS en combinaison avec EEG de relier directement les aires corticales avec les potentiels évoqués (ERP) ou les modèles d'activité oscillatoires (par exemple 2-7). Dans ce document méthodologique, nous allons décrire un cadre particulier et utile pour combiner des TMS et l'EEG: TMS IRMf guidée lors d'une expérience de l'ERP. Tout d'abord, nous allons détailler comment appliquer TMS dans les zones prédéfinies par fMRI, lors de l'enregistrement des données de l'EEG. Nous décrirons ensuite un modèle expérimental qui permet l'extraction de l'ERP fiable. L'objectif d'une telle expérience est de causalité zones du cerveau de liaison révélées par l'IRM fonctionnelle des composants ERP d'intérêt. Enfin, nous allons donner un exemple précis d'une étude relative visage et le corps ERP sélective avec le visage et le corps des zones sélectives qui sont révélées par l'IRMf.
Quel est l'avantage de relier les signaux EEG avec activations IRMf? EEG et IRMf sont couramment utilisés des outils pour mesurer les réponses corticales à l'entrée visuelle. Par exemple, la catégorie-sélectivité dans la voie visuelle a été évaluée pour les différentes catégories d'objets visuels tels que des visages, parties du corps, et les mots écrits, à la fois au moyen d'ERP extraites de 8,9 EEG de données, et l'IRM fonctionnelle 10-12. Les signaux mesurés par ces deux outils de recherche communs sont, cependant, de nature fondamentalement différente. EEG comporte des informations sur l'activité électrique de neurones avec une grande temporelleprécision, mais très faible résolution spatiale et peuvent refléter un mélange de plusieurs sources sous-jacentes distinctes. L'IRM permet une mesure indirecte de l'activité neuronale se basant sur les changements hémodynamiques lentes qui se produisent au cours de la présentation du stimulus ou / et de l'exécution de la tâche, mais présente cette activité avec une résolution spatiale plus élevée. Établir une corrélation entre les deux mesures peut donc être d'un grand intérêt, mais est limité en ce qu'il n'implique pas un lien de causalité entre la réponse électrophysiologique cuir chevelu enregistrées et les zones révélées par l'IRM fonctionnelle. Même lorsqu'elle est mesurée simultanément (par exemple 13-15), une relation de causalité bidirectionnelle entre l'EEG et l'activité dans les zones corticales fonctionnellement définis ne peut être déterminée. TMS est un outil qui peut aider la réalisation de la mise en place d'un tel lien de causalité.
Une étude EEG-TMS simultanée est méthodologiquement difficile, principalement en raison de l'artefact à haute tension introduite au signal EEG by la stimulation magnétique (voir la figure 1, pour une revue voir Ilmoniemi et al. 16). Cet artefact est constitué d'une perturbation liée à l'impulsion transitoire courte vie, souvent suivi par un artefact secondaire (ou résiduelle) plus lente qui peut durer de quelques centaines de millisecondes après l'impulsion est livré Figure 2A, remplaçant ainsi la plupart des composants ERP d'intérêt. Cet artefact secondaire peut comprendre des sources mécaniques tels que des courants induits par l'impulsion magnétique dans le câblage et la décroissance lente de ces courants dans la peau, et les sources physiologiques tels que l'activité musculaire sur le cuir chevelu et auditif ou les potentiels évoqués somesthésiques provoquée par l'opération de la bobine 17-20. Bien que les sources d'interférences mécaniques produisent probablement plus grande amplitude des artefacts que ceux physiologiques, ces différents artefacts ne peuvent pas être séparés, et l'existence de l'un d'eux dans le signal peuvent brouiller les résultats. Un possible afinlution est l'application d'impulsions de TMS répétitives avant EEG enregistrement («hors ligne TMS"), par opposition aux simultané EEG-TMS. L'effet inhibiteur d'un tel protocole sur l'activité corticale persiste pendant plusieurs minutes (et jusqu'à une demi-heure), après la stimulation, et l'EEG peut être mesurée au cours de ce laps de temps efficace et par rapport à la ligne de base, de pré-TMS, des données EEG. Stimulation répétitive, cependant, est, par définition, manque la haute résolution temporelle que TMS en ligne peut offrir, où des impulsions peuvent être administrés à un moment précis par rapport à un procès début à la résolution d'une milliseconde. L'effet de la stimulation répétitive peut aussi se propager via des connexions corticales dans une zone plus large que souhaité et donc de réduire de manière significative la résolution spatiale ainsi.
Pour profiter à la fois la résolution spatiale et temporelle qui TMS peut fournir une combinaison simultanée EEG-TMS peut être appliquée. Cependant, cela nécessite des procédés pour l'élimination d'artefactsgénérée par la stimulation magnétique sur le signal EEG. Très peu de solutions mathématiques hors ligne pour artefact enlèvement TMS ont été proposées 16,21,22, même si aucune méthode n'est convenu, et aucune méthode ne peut être optimale pour tous les modèles expérimentaux. Un système de «clipping», constitué d'un circuit d'échantillonnage et de maintien, a également été développé pour arrêter momentanément acquisition EEG pendant TMS livraison d'impulsions 20. Cette technique ne nécessite pas de matériel spécialisé, mais ne peut pas supprimer complètement l'artefact TMS résiduelle. Dans cet article, nous allons décrire une adaptation d'une méthodologie EEG-TMS développé par Thut et ses collègues 19, particulièrement adapté pour les études ERP. Cette technique permet l'extraction fiable de l'ERP tout en éliminant toutes les composantes de bruit résiduels causés par l'impulsion de TMS Figure 2. Nous allons continuer à fournir une orientation générale vers un dispositif expérimental EEG-TMS succès.
Un autre défi dans les études de TMS adressée in ce document méthodologique est de trouver la meilleure position de la bobine et de l'angle pour un ciblage précis de la zone corticale souhaitée. Nous allons décrire l'utilisation d'un système de navigation stéréotactique COREGISTER à la tête du sujet avec les images IRM fonctionnelle pré-acquises. Bien que le système de navigation peut être utilisé pour localiser les structures du cerveau anatomiquement définies, un ciblage IRMf guidée est particulièrement utile, car pour de nombreuses fonctions et effets expérimentaux l'emplacement précis de l'activation ne peut être déduite de la seule marqueurs anatomiques. Pour ces régions fonctionnelles d'intérêt (ROI), la définition d'une zone est faite pour chaque participant individuellement.
Pour illustrer ce qui précède, nous allons donner un exemple d'une étude que nous avons effectué précédemment, dans lequel EEG a été enregistré simultanément avec TMS guidée par activations IRMf 7. Dans cette étude, une double dissociation a été faite entre les ERP visage sélectifs et corps sélectif: bien que le visage et le corps ERP de poisk autour des mêmes latence et électrodes des sites, en ciblant les zones visage sélectifs et corps sélective définis individuellement dans le lobe occipital latéral nous a permis de dissocier les réseaux neuronaux qui sous-tendent chaque réponse ERP. Enfin, nous allons essayer de donner plus de conseils général pour optimiser l'enregistrement EEG lors de l'application de TMS.
Protocol
Representative Results
Discussion
Avoir la capacité unique de perturber momentanément l'activité neuronale normale dans les régions corticales sélectionnés, dans des moments précis et avec une assez bonne précision spatiale, TMS permet de relier causalement une zone du cerveau stimulées par un comportement ou une mesure neurophysiologique. Dans cet article, nous avons décrit une méthode de mesure EEG lors de l'application TMS concurrente, en ciblant les zones corticales fonctionnelles définies, et l'application d'une analyse …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous tenons à remercier David Pitcher pour sa précieuse contribution à cette expérience de TMS. Cette recherche a été financée par une bourse de l'Institut Levie-Edersheim-Gitter pour la cartographie du cerveau de BS, une subvention de la Fondation Wolfson; accorde 65/08 et de 1657 à 1608 de la Fondation israélienne des sciences et une subvention de Voyage du chercheur British Council programme d'échange de GY L'expérience a été réalisée à l'Institut Wohl pour Advanced Imaging, Tel-Aviv Sourasky Medical Center.
Materials
| 3.0T Signa MRI scanner | General Electric | ||
| BrainAmp amplifier | Brain Products GmbH | BP-01300 | |
| Electrode input box | Brain Products GmbH | Optional | |
| PowerPack – battery for amplifier | Brain Products GmbH | BP-02615 | |
| BrainCap – 32 flat electrodes on a flexible cap | Brain Products GmbH | BP-0300MR | Flat electrodes should be used to assure a shorter distance beween coil and scalp. If larger (e.g. pin type) electrodes are used, remove the ones under the coil |
| TMS Super Rapid2 stimulator | Magstim | ||
| 50mm double coil | Magstim | ||
| Coil holder | Any mechanical arm or tripod that can hold the coil, be adjusted to the right angle and location, and keep the coil steady during stimulation | ||
| Chinrest | |||
| Polaris infrared camera | Rogue Research Inc | ||
| Polaris trackers and pointer tool | Rogue Research Inc | ||
| BrainSight workstation and software | Rogue Research Inc | ||
| BrainVision Recorder software | Brain Products GmbH | BP-00010 | |
| MATLAB software | The MathWorks Icn. | ||
| SPM for Matlab | Wellcome Department of Imaging Neuroscience, London, UK | ||
| MarsBar region of interest toolbox for SPM | |||
| Psychtoolbox for MATLAB | This toolbox and the E-prime software (below) are examples for stimulus presentation software capable of delivering commands to the TMS stimulator and to the EEG recorder with reliable timing | ||
| E-Prime software | Psychology Software Tools, Inc. |
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