Extraindo potenciais evocados visuais de dados EEG gravado durante fMRI-guiada Estimulação Magnética Transcraniana
Summary
Este artigo descreve um método para a coleta e análise de dados de eletroencefalografia (EEG) durante a estimulação simultânea magnética transcraniana (TMS) guiada por ativações reveladas com ressonância magnética funcional (fMRI). Um método para remoção TMS artefato e extração de potenciais relacionados a eventos é descrito, bem como considerações em design e configuração paradigma experimental.
Abstract
Estimulação Magnética Transcraniana (TMS) é um método eficaz para o estabelecimento de um nexo de causalidade entre uma área cortical e efeitos cognitivos / neurofisiológicos. Especificamente, criando uma interferência transitória com a actividade normal de uma região-alvo e medir alterações em um sinal eletrofisiológico, podemos estabelecer um nexo de causalidade entre a área do cérebro estimulada ou rede eo sinal eletrofisiológico que gravamos. Se as áreas-alvo do cérebro são funcionalmente definida com prévia fMRI, TMS pode ser usado para ligar as ativações de fMRI com potenciais evocados gravados. No entanto, a realização de tais experimentos apresenta desafios técnicos consideráveis, uma vez os artefatos alta amplitude introduzidas no sinal EEG pelo pulso magnético, ea dificuldade para atingir com sucesso as áreas que foram funcionalmente definidos por fMRI. Aqui nós descrevemos uma metodologia para combinar estas três ferramentas comuns: TMS, EEG e fMRI. Nós explicamos como orientar o estimulador & #39; s bobina para a área-alvo desejado, utilizando dados de ressonância magnética anatômicas ou funcionais, como gravar EEG durante concorrente TMS, como projetar um estudo de ERP adequado para combinação de EEG-TMS e como extrair ERP confiável a partir dos dados gravados. Vamos fornecer resultados representativos de um estudo publicado anteriormente, em que TMS RMf guiada foi utilizado simultaneamente com EEG para mostrar que a face selectiva N1 e o componente N1 corpo selectivo do ERP estão associadas com as redes neuronais distintas no córtex extra-estriado. Este método permite-nos combinar a alta resolução espacial de fMRI com a alta resolução temporal do TMS e EEG e, portanto, obter uma compreensão abrangente da base neural de vários processos cognitivos.
Introduction
Estimulação Magnética Transcraniana (TMS) gera interferência momentânea à atividade neural normal em áreas-alvo do cérebro. Ao criar esta interferência neural transitório e medindo uma mudança comportamental ou fisiológico, podemos tirar um nexo de causalidade entre a área alvo eo efeito experimental medida (para uma revisão ver Pascual-Leone et al. E Taylor et al. 1,2). Tal efeito experimental pode ser, por exemplo, um desempenho de uma tarefa cognitiva ou uma mudança na electrofisiológico (EEG) actividade. De fato, nos últimos anos, pesquisadores começaram a usar TMS em combinação com EEG de se relacionar diretamente áreas corticais com potenciais relacionados a eventos (ERP) ou padrões de atividade oscilatórios (por exemplo, 2-7). Neste trabalho metodológico vamos descrever um quadro específico e útil para combinar TMS e EEG: TMS fMRI-guiada durante um experimento ERP. Primeiro, iremos detalhar como aplicar TMS para áreas pré-definidas pela FMRI, durante a gravação de dados de EEG. Nós, então, descrever um projeto experimental que permite a extração de ERP confiável. O objetivo de tal experiência é causalmente áreas do cérebro de ligação reveladas com ressonância magnética funcional para componentes de ERP de interesse. Por último, vamos dar um exemplo específico de um estudo relativo rosto e corpo ERPs seletivo com rosto e corpo áreas seletivas que são reveladas com fMRI.
Qual é a vantagem de ligar sinais de EEG com ativações fMRI? EEG e fMRI são comumente usadas ferramentas para medir as respostas corticais a entrada visual. Por exemplo, a categoria-seletividade na via visual foi avaliada para diferentes categorias de objetos visuais, como rostos, partes do corpo, e as palavras escritas, tanto por meio de ERP extraídos de 8,9 dados EEG e ressonância magnética funcional 10-12. Os sinais medidos por estas duas ferramentas de investigação comuns são, no entanto, de fundamentalmente diferente natureza. EEG traz informações sobre a atividade elétrica neural com grande temporaisprecisão, mas muito baixa resolução espacial e pode refletir uma mistura de muitas fontes subjacentes separadas. A fMRI fornece uma medida indireta da atividade neuronal contando com as alterações hemodinâmicas lentos que ocorrem durante a apresentação do estímulo e / ou execução da tarefa, mas apresenta esta actividade com uma resolução espacial superior. Estabelecendo uma correlação entre as duas medidas podem, assim, ser de grande interesse, mas é limitada na medida em que não implica um nexo de causalidade entre a resposta eletrofisiológica gravada em couro cabeludo e as áreas reveladas com ressonância magnética funcional. Mesmo quando medido ao mesmo tempo (por exemplo, 13-15), uma relação de causalidade entre direccional EEG e actividade em áreas corticais funcionalmente definidos não podem ser determinados. TMS é uma ferramenta que pode ajudar conseguir o estabelecimento de uma relação tão causal.
Um estudo do EEG-TMS simultânea é metodologicamente difícil, principalmente devido ao artefato de alta tensão introduzida no sinal EEG by a estimulação magnética (veja a Figura 1, para uma revisão ver Ilmoniemi et al. 16). Este artefato consiste em uma perturbação passageira curta vida relacionada com pulso, muitas vezes seguido de um artefato secundário (ou residual) mais lento que pode durar algumas centenas de milissegundos após o pulso é entregue Figura 2A, substituindo, assim, a maioria dos componentes de ERP de interesse. Este artefato secundário podem incluir fontes mecânicas, tais como correntes induzidas pelo pulso magnético para a fiação ea lenta decadência dessas correntes na pele, e as fontes fisiológicas, tais como a atividade muscular sobre o couro cabeludo e auditiva ou potenciais evocados somatossensitivos provocada pela operação de a bobina de 17-20. Embora as fontes de interferência mecânica provavelmente produzir artefactos de amplitude maiores do que os fisiológicos, estes diferentes artefactos não podem ser separados, e a existência de qualquer deles, em que o sinal pode confundir os resultados. Uma possível paração é a aplicação de pulsos TMS repetitivos antes EEG gravação ("off-line TMS"), em oposição ao simultânea de EEG-TMS. O efeito inibitório de um protocolo deste tipo sobre a actividade cortical persistir durante vários minutos (ou superior a meia hora) após a estimulação, e EEG pode ser medida durante esta janela de tempo efectiva e comparadas com os valores basais, pré-TMS, dados de EEG. Estimulação repetitiva, no entanto, é, por definição, a falta de alta resolução temporal que pode oferecer linha TMS, em que pulsos pode ser administrado a um momento preciso em relação ao início do estudo com a resolução de milisegundos. O efeito de estimulação repetitiva pode também propagar através de ligações corticais através de uma área mais ampla do que o desejado e, por conseguinte, reduzir significativamente a resolução espacial bem.
Para aproveitar tanto a resolução espacial e temporal que TMS pode fornecer uma combinação simultânea de EEG-TMS pode ser aplicada. No entanto, isto requer métodos para a remoção de produtos manufacturadosgerada pela estimulação magnética do sinal EEG. Muito poucas soluções matemáticas offline para remoção artefato TMS foram propostos 16,21,22, embora nenhum método é acordado, e não há um método pode ser o ideal para todos os projetos experimentais. Um sistema de "recorte", que consiste em um circuito sample-and-hold, também foi desenvolvido para interromper momentaneamente a aquisição de EEG durante TMS entrega de pulso 20. Esta técnica não só exige hardware especializado, mas pode não remover completamente o artefato TMS residual. Neste artigo vamos descrever uma adaptação de uma metodologia de EEG-TMS desenvolvido pela Thut e colegas 19, particularmente adequado para estudos de ERP. Esta técnica permite a extração confiável de ERP, eliminando todos os componentes de ruído residual causada pelo pulso TMS Figura 2. Vamos fornecer mais orientação geral para uma instalação experimental EEG-TMS sucesso.
Outro desafio em estudos TMS dirigida in este papel metodológico é encontrar a melhor posição da bobina e do ângulo para uma mira precisa da área cortical desejado. Vamos descrever o uso de um sistema de navegação estereotáxica para coregister cabeça do sujeito com as imagens funcionais de ressonância magnética pré-adquiridos. Embora o sistema de navegação pode ser utilizada para localizar as estruturas cerebrais anatomicamente definidas, uma segmentação RMf guiada é particularmente útil uma vez que para muitas funções e efeitos experimentais a localização precisa de activação não pode ser inferida a partir de marcadores anatómicos sozinho. Para essas regiões funcionais de interesse (ROI), a definição de uma área é feito para cada participante individual.
Para ilustrar todos os itens acima, vamos dar um exemplo de um estudo que fizemos anteriormente, em que o EEG foi gravado simultaneamente com TMS guiado por fMRI ativações 7. Neste estudo, uma dissociação dupla foi feita entre ERPs face-seletivos e corporais seletivo: apesar de rosto e corpo ERPs ervilhak em torno dos mesmos sites de latência e de eletrodos, visando áreas face-seletivos e corporais seletivo definidos individualmente no lobo occipital lateral, nos permitiu dissociar as redes neurais subjacentes a cada resposta ERP. Finalmente, vamos tentar dar mais conselho geral para otimizar a gravação de EEG durante a aplicação TMS.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ter a capacidade única de interromper momentaneamente a atividade neuronal normal em áreas corticais selecionados, em momentos precisos e com um relativamente boa precisão espacial, TMS permite ligar causalmente uma área do cérebro estimulada com um comportamento ou de uma medida neurofisiológica. Neste artigo descrevemos um método para medir EEG durante a aplicação TMS concorrente, visando áreas corticais funcionalmente definidos, e aplicar uma análise que permite uma medição confiável de respostas ERP. N…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gostaríamos de agradecer a David Pitcher por sua valiosa contribuição para este experimento TMS. Esta pesquisa foi financiada por uma bolsa do Instituto Levie-Edersheim-Gitter para Mapeamento Cerebral de BS, uma bolsa da Fundação Wolfson; concede 65/08 e 1657-1608 da Fundação de Ciência de Israel e uma bolsa de viagem do pesquisador do British Council Programa de Intercâmbio para GY O experimento foi conduzido no Instituto Wohl for 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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