La extracción de potenciales evocados visuales de datos EEG registradas durante guiada por resonancia magnética funcional Estimulación Magnética Transcraneal

Summary

En este trabajo se describe un método para la recopilación y análisis de datos de la electroencefalografía (EEG) durante la estimulación simultánea magnética transcraneal (TMS) guiado por activaciones reveladas con imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI). Un método para la eliminación de artefactos TMS y extracción de potenciales relacionados con eventos se describe así como las consideraciones en el diseño de paradigma y montaje experimental.

Abstract

La estimulación magnética transcraneal (EMT) es un método eficaz para el establecimiento de un vínculo causal entre un área cortical y efectos cognitivos / neurofisiológicos. En concreto, mediante la creación de una interferencia transitoria con la actividad normal de una región objetivo y medir los cambios en una señal electrofisiológica, podemos establecer una relación causal entre la zona del cerebro estimulado o la red y la señal electrofisiológica que grabamos. Si las áreas cerebrales de destino se definen funcionalmente con previo exploración fMRI, TMS podría ser utilizado para unir las activaciones fMRI con potenciales evocados registrados. Sin embargo, la realización de tales experimentos presenta desafíos técnicos significativos dados los altos de amplitud artefactos introducidos en la señal del EEG por el pulso magnético, y la dificultad para apuntar con éxito zonas que se definen funcionalmente por resonancia magnética funcional. Aquí se describe una metodología para la combinación de estas tres herramientas comunes: TMS, EEG y fMRI. Explicamos cómo guiar el estimulador y #39, s de la bobina a la zona objetivo deseada utilizando datos de resonancia magnética anatómicas o funcionales, como grabar EEG durante TMS concurrente, cómo diseñar un estudio de ERP adecuada para combinación de EEG-TMS y cómo extraer ERP fiable a partir de los datos registrados. Vamos a ofrecer resultados representativos de un estudio publicado anteriormente, en el que se utilizó TMS guiada por resonancia magnética funcional concurrente con EEG para demostrar que la cara selectiva N1 y el componente N1-cuerpo selectiva de la ERP están asociados con redes neuronales distintas en la corteza extrastriate. Este método nos permite combinar la alta resolución espacial de fMRI con la alta resolución temporal de la EMT y el EEG y, por tanto, obtener una comprensión completa de la base neural de diversos procesos cognitivos.

Introduction

Estimulación Magnética Transcraneal (TMS) genera interferencia momentánea de la actividad neural normal en áreas objetivo del cerebro. Mediante la creación de esta interferencia neural transitorio y medir un cambio de comportamiento o fisiológicos, podemos establecer una relación causal entre la zona de destino y el efecto experimental medido (para una revisión ver Pascual-Leone et al. Y Taylor et al. ^1,2). Tal efecto experimental puede ser, por ejemplo, un rendimiento en una tarea cognitiva o un cambio en la actividad electrofisiológica (EEG). De hecho, en los últimos años, los investigadores han empezado a utilizar la EMT en combinación con EEG para relacionar directamente las áreas corticales con potenciales evocados (ERP) o patrones de actividad oscilatoria (por ejemplo, ^2-7). En este trabajo metodológico describiremos un marco particular y útil para combinar TMS y EEG: TMS guiada por resonancia magnética funcional durante un experimento ERP. En primer lugar, vamos a detallar cómo aplicar TMS a zonas predefinidas por fMRI, durante la grabación de datos de EEG. A continuación, vamos a describir un diseño experimental que permite la extracción de ERP confiable. El objetivo de este experimento es causalmente áreas cerebrales enlace reveladas con resonancia magnética funcional para componentes ERP de interés. Por último, vamos a dar un ejemplo específico de un estudio relativo cara y el cuerpo ERPs selectivo con faciales y corporales áreas selectivas que se revelan con fMRI.

¿Cuál es el beneficio de vincular las señales de EEG con activaciones fMRI? EEG y fMRI se utilizan comúnmente herramientas para medir las respuestas corticales a la información visual. Por ejemplo, la categoría de selectividad en la vía visual se evaluó para las diferentes categorías de objetos visuales, como caras, partes del cuerpo, y las palabras escritas, tanto por medio de ERP extraídos de ^8,9 datos de EEG y resonancia magnética funcional ^10-12. Las señales medidas por estos dos herramientas de investigación comunes son, sin embargo, de naturaleza fundamentalmente diferente. EEG lleva información sobre la actividad eléctrica de los nervios con gran temporalde precisión, pero muy baja resolución espacial y pueden reflejar una mezcla de muchas fuentes subyacentes separadas. La resonancia magnética funcional proporciona una medida indirecta de la actividad neuronal basándose en los cambios hemodinámicos lentas que ocurren durante la presentación del estímulo y / o ejecución de la tarea, pero presenta esta actividad con una resolución espacial superior. El establecimiento de una correlación entre las dos medidas puede por lo tanto ser de gran interés, pero está limitado por cuanto no implica una relación de causalidad entre la respuesta electrofisiológica cuero cabelludo-grabado y las áreas reveladas con resonancia magnética funcional. Incluso cuando se mide de forma simultánea (por ejemplo, ^13-15), una relación causal direccional entre el EEG y la actividad en las zonas corticales funcionalmente definidos no se puede determinar. TMS es una herramienta que puede ayudar a lograr el establecimiento de una relación causal.

Un estudio simultáneo del EEG-TMS es metodológicamente difícil, sobre todo debido a que el artefacto de alto voltaje introducido con la señal EEG by la estimulación magnética (vea la Figura 1, para una revisión ver Ilmoniemi et al. ^16). Este artefacto consiste en un corto relacionado pulso perturbación vida transitoria, a menudo seguida de un artefacto de secundaria (o residual) más lento que puede durar unos pocos cientos de milisegundos después del pulso se entrega la Figura 2A, anulando así la mayoría de los componentes ERP de interés. Este artefacto secundaria puede incluir fuentes mecánicas tales como las corrientes inducidas por el impulso magnético en el cableado y la lenta decadencia de estas corrientes en la piel, y las fuentes fisiológicas tales como la actividad muscular sobre el cuero cabelludo y auditiva o potenciales evocados somatosensoriales provocada por la operación de la bobina ^17-20. Aunque las fuentes mecánicas de interferencia probablemente producen artefactos de mayor amplitud que las fisiológicas, estas diferentes artefactos no pueden separarse, y la existencia de alguno de ellos en la señal pueden confundir los resultados. Una posible por loción es la aplicación de impulsos TMS repetitiva antes de la grabación de EEG ("offline TMS"), en lugar de simultánea de EEG-TMS. El efecto inhibidor de un protocolo de este tipo en la actividad cortical persiste durante varios minutos (y hasta media hora) después de la estimulación, y EEG se puede medir durante esta ventana de tiempo eficaz y en comparación con la línea de base, antes de la TMS, datos de EEG. La estimulación repetitiva, sin embargo, es, por definición, carecen de la alta resolución temporal que TMS en línea puede ofrecer, donde los pulsos se pueden administrar en una temporización precisa relativa a la aparición de juicio en la resolución de milisegundos. El efecto de la estimulación repetitiva también puede propagarse a través de conexiones corticales a través de un área más amplia de lo deseado y, por tanto, reducir significativamente la resolución espacial también.

Para aprovechar las ventajas tanto de la resolución espacial y temporal que la EMT puede ofrecer, una combinación simultánea de EEG-TMS se puede aplicar. Sin embargo, esto requiere de métodos para la eliminación de los artefactosgenerada por la estimulación magnética en la señal del EEG. Se han propuesto muy pocas soluciones matemáticas fuera de línea para la remoción de artefactos TMS ^16,21,22, aunque no existe un método que se acuerde, y no hay un método pueden ser óptimas para todos los diseños experimentales. Un sistema de "recorte", que consiste en un circuito de muestreo y retención, también se desarrolló para detener momentáneamente la adquisición de EEG durante el parto de impulsos TMS 20. Esta técnica no sólo requiere hardware especializado, pero no puede eliminar completamente el artefacto TMS residual. En este artículo vamos a describir una adaptación de una metodología de EEG-TMS desarrollada por Thut y sus colegas ^19, especialmente adecuado para los estudios de ERP. Esta técnica permite la extracción fiable de ERP, eliminando todos los componentes de ruido residuales causadas por el pulso de TMS Figura 2. Vamos a proporcionar más orientación general hacia un exitoso montaje experimental EEG-TMS.

Otro reto en los estudios de TMS se dirigió in este trabajo metodológico es encontrar la mejor posición de la bobina y el ángulo para una orientación precisa de la zona cortical deseado. Vamos a describir el uso de un sistema de navegación estereotáxica para coregister la cabeza del sujeto con las imágenes de resonancia magnética funcional pre-adquiridas. Aunque el sistema de navegación se puede utilizar para localizar estructuras cerebrales definidas anatómicamente, una orientación guiada por resonancia magnética funcional es particularmente útil ya que para muchas funciones y efectos experimentales la ubicación precisa de la activación no se puede deducir a partir de marcadores anatómicos solos. Para este tipo de regiones funcionales de interés (ROI), la definición de un área se hace para cada participante de forma individual.

Para ilustrar todo lo anterior, vamos a dar un ejemplo de un estudio que realizamos previamente, en el que el EEG se registró simultáneamente con TMS guiada por activaciones fMRI ^7. En este estudio, una doble disociación se hizo entre ERPs cara selectivos y de cuerpo selectiva: aunque la cara y el cuerpo ERPs guisantek en torno a los mismos sitios de latencia y de electrodos, apuntando áreas cara selectivos y de cuerpo selectiva definidos individualmente en el lóbulo occipital lateral nos ha permitido disociar las redes neuronales subyacentes a cada respuesta ERP. Por último, vamos a tratar de darle más consejo general para la optimización de registro del EEG durante la aplicación TMS.

Protocol

El experimento se llevó a cabo en dos sesiones separadas. Durante la primera sesión de un experimento de resonancia magnética funcional (por ejemplo, un localizador funcional) se lleva a cabo con el fin de definir las zonas objetivo TMS deseados en asignaturas individuales. Los resultados del fMRI se incorporan después en un sistema de navegación estereotáctica durante TMS precisas de orientación. La segunda sesión se lleva a cabo tras el análisis de los datos de la fMRI, durante los cuales EEG se regi…

Representative Results

Se utilizó una investigación de EEG-TMS simultáneo a revelar si se disocian los ERP respuestas a rostros y cuerpos grabados sobre el cuero cabelludo occipito-temporal. Cuando se presentan los estímulos visuales, un destacado componente N1 se registra en los sitios de los electrodos-posterior lateral. En particular, el componente N1 es típicamente más grandes para las caras y los cuerpos que a las demás categorías de estímulo 8,33. Al evaluar el efecto de la estimulación en la cara y las áreas del c…

Discussion

Tener la habilidad única para interrumpir momentáneamente la actividad neuronal normal en áreas corticales seleccionados, en los puntos de tiempo precisas y con una relativamente buena exactitud espacial, TMS permite vincular causalmente un área del cerebro estimulado con un comportamiento o una medida neurofisiológica. En este trabajo se describe un método para medir el EEG durante la aplicación concurrente TMS, apuntando a áreas corticales funcionalmente definidos, y la aplicación de un análisis que permite …

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.