FMRI-güdümlü Transkranial Manyetik Stimülasyon sırasında kaydedilen EEG Veri Görsel Uyarılmış Potansiyelleri ayıklanıyor
Summary
Bu kağıt fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) ile ortaya aktivasyonlar tarafından yönlendirilen eşzamanlı transkranial manyetik stimülasyon (TMS) sırasında (EEG) veri toplama ve analiz için elektroensefalografi bir yöntem açıklanır. Olaya ilişkin potansiyellerin TMS dışlayıcı kaldırılması ve çıkarma için bir yöntem paradigma tasarım ve deneysel kurulum hususlar gibi tarif edilir.
Abstract
Transkraniyal Manyetik Stimülasyon (TMS) bir kortikal alanı ve bilişsel / nörofizyolojik etkileri arasında nedensel bir bağlantı kurmak için etkili bir yöntemdir. Özellikle, hedef bölgenin, normal aktivite ile bir geçici girişim oluşturma ve elektrofizyolojik sinyal değişiklikleri ölçerek, biz uyarılan beyin bölgesi veya ağ ve biz kayıt elektrofizyolojik sinyal arasında nedensel bir bağlantı kurabilir. Hedef beyin alanlarının işlevsel önce fMRI tarama ile tanımlanmış ise, TMS kaydedilen uyarılmış potansiyeller ile fMRI aktivasyonlar bağlamak için kullanılan olabilir. Ancak, bu tür deneylerini önemli teknik manyetik nabız tarafından EEG sinyallerinin sokulan yüksek genlik eserler verilmiş zorlukları ve başarılı fonksiyonel fMRI ile tanımlanan alanları hedef için zorluk sunuyor. İşte bu üç ortak araçları birleştiren bir metodoloji tarif: TMS, EEG ve fMRI. Biz uyarıcı & # rehber nasıl açıklamak39, EEG-TMS kombinasyonu ve nasıl kaydedilmiş verilerin güvenilir ERP ayıklamak için uygun bir ERP çalışma tasarımı nasıl, eşzamanlı TMS sırasında EEG kaydı için nasıl anatomik veya fonksiyonel MRI verileri kullanarak istenilen hedef alanlara, s bobin. Bu fMRI güdümlü TMS yüz seçici N1 ve ERP vücuda seçici N1 bileşen extrastriate korteks ayrı sinir ağları ile ilişkili olduğunu göstermek için EEG ile eş zamanlı olarak kullanılacak edildiği, daha önce yayınlanan çalışma, temsili sonuçlar verecektir. Bu yöntem bize TMS ve EEG yüksek temporal çözünürlük ile fMRI yüksek uzaysal çözünürlüğü birleştirmek ve bu nedenle çeşitli bilişsel süreçlerin sinirsel temelinde kapsamlı bir anlayış elde etmesini sağlar.
Introduction
Transkraniyal Manyetik Stimülasyon (TMS) beynin hedef alanlarda normal sinir aktiviteye anlık girişimi oluşturur. Bu geçici sinir girişim oluşturma ve bir davranış ya da fizyolojik değişikliği ölçerek, biz (bir incelemesi için bkz Pascual-Leone ve ark. Ve Taylor ve ark. 1,2) hedef alan ve ölçülen deneysel etkisi arasında nedensel bir bağlantı çizebilirsiniz. Bu gibi deneysel etkisi, örneğin, olabilecek bir bilişsel görevin ya da elektrofizyolojik (EEG) aktivitesinde bir değişikliği ile ilgili bir performans. Nitekim, son yıllarda araştırmacılar, doğrudan olaya ilişkin potansiyeller (ERP) ya da salınımlı faaliyet kalıpları (örneğin 2-7) ile kortikal alanları ilişkilendirmek için EEG ile birlikte TMS kullanarak başladı. ERP deney sırasında fMRI-güdümlü TMS: Bu metodolojik yazıda TMS ve EEG birleştirmek için bir özel ve faydalı bir çerçeve anlatacağız. Öncelikle, biz fM tarafından önceden tanımlanmış alanlara TMS nasıl uygulanacağı ayrıntılı olacakRI, EEG verilerini kayıt sırasında. Biz o zaman güvenilir ERP çıkarılmasını sağlayan bir deneysel tasarım anlatacağız. Böyle bir denemenin amacı ilgi ERP bileşenleri için fonksiyonel MRI ile ortaya bağlantı beyin alanlarını nedensel etmektir. Son olarak, biz fMRI ile ortaya çıkar yüz ve vücut seçici alanları ile yüz ve vücut seçici ERPs ilgili bir çalışmada belirli bir örnek vereceğim.
FMRI aktivasyon EEG sinyallerini bağlayan yararı nedir? EEG ve fMRI yaygın görsel girişine kortikal tepkilerini ölçmek için kullanılan araçlardır. Örneğin, görsel yolunda kategori seçicilik EEG veri 8,9 ve fonksiyonel MRI 10-12 ekstre ERP ile her ikisi de bu yüzler, vücut parçaları ve yazılı sözcük olarak farklı görsel nesne kategorisi için değerlendirildi. Bu iki bilinen araştırma araçları tarafından ölçülen sinyalleri temelde farklı nitelikte Ancak bulunmaktadır. EEG büyük zamansal ile nöral elektriksel aktivitesi hakkında bilgi taşırhassas, ama çok düşük uzaysal çözünürlük ve birçok ayrı yatan kaynaklarının bir karışımını yansıtıyor olabilir. FMRI uyaran sunum ve / veya görev yürütme sırasında meydana gelen yavaş hemodinamik değişikliklere dayanarak nöronal aktivitenin dolaylı bir önlem sağlar, ancak daha yüksek uzaysal çözünürlüğü ile bu etkinliği sunar. İki ölçü arasında bir korelasyon kurulması dolayısıyla büyük ilgi olabilir, ama kafa derisi kaydedilen elektrofizyolojik yanıt ve fonksiyonel MRI ile ortaya alanlar arasında nedensel bir bağlantı anlamına gelmez sınırlıdır. (Örneğin 13-15) eş zamanlı olarak ölçülen bile, EEG ve fonksiyonel olarak tanımlanmış kortikal alanlarda etkinlik arasında bir yönlü nedensel bir ilişki tespit edilemez. TMS böyle bir nedensel ilişkinin kurulmasını sağlamak yardımcı olabilecek bir araçtır.
A eşzamanlı EEG-TMS çalışması nedeniyle çoğunlukla EEG sinyal b tanıttı yüksek gerilim artifakı, metodolojik zorluy manyetik uyarım (bir inceleme için bakınız Şekil 1, Ilmoniemi et al. 16). Bu yapıyı genellikle darbe böylece en ilgi çekici ERP bileşenleri basan, Şekil 2A iletildikten sonra milisaniye birkaç yüz sürebilen daha yavaş bir ikinci (ya da artık) dışlayıcı ardından geçici bir kısa oturma puls ile ilgili rahatsızlık oluşur. Bu ikincil dışlayıcı tür kablolama ve deri bu akımların yavaş çürümeye manyetik darbesinden kaynaklı akımlar ve bu çalışması ile ortaya kafa derisi ve işitsel veya somatosensori uyarılmış potansiyellerinin kas aktivitesi gibi fizyolojik kaynaklar olarak mekanik kaynaklarını içerebilir Bobin 17-20. Girişim mekanik kaynakları muhtemelen fizyolojik olanlardan daha büyük genlik eserler üretse de, bu farklı eserler ayrılamaz ve sinyaldeki bunların herhangi birinin varlığı sonuçları karıştırabilir. Olası bir çokeşzamanlı EEG-TMS karşı devrim sisi, ("isimli TMS") kayıt öncesinde EEG tekrarlayan TMS bakliyat uygulamasıdır. Kortikal aktivite böyle bir protokolün önleyici etkisi birkaç dakika boyunca devam (ve yarım saat kadar) uyarıldıktan sonra, EEG ve bu zamanı etkili sırasında ölçülür ve başlangıca göre, ön-TMS, EEG veri olabilir. Tekrarlanan stimülasyon Ancak, baklagiller milisaniye çözünürlükte test başlangıcından hassas bir zamanlama nispetle uygulanabilir nerede online TMS, sunabilir yüksek zamansal çözünürlüğü tanımı eksik gereğidir. Tekrarlayan stimülasyon etkisi de istenen daha geniş bir alan boyunca kortikal bağlantıları yoluyla yaymak ve bu nedenle de önemli ölçüde uzaysal çözünürlüğü azaltabilir.
TMS sağlayabilir hem mekansal ve zamansal çözünürlük yararlanmak için, eş zamanlı EEG-TMS kombinasyonu uygulanabilir. Bununla birlikte, bu eserler uzaklaştırılması için yöntemleri gerektirirEEG sinyaline manyetik uyarım tarafından üretilen. Hiçbir yöntem mutabık olmasına rağmen TMS eserdir çıkarılması için çok az isimli matematik çözümleri, 16,21,22 önerilmiştir, ve hiç bir yöntem tüm deneysel tasarımlar için optimal olabilir. Bir örnek ve-tutma devresi oluşan bir "kırpma" sistemi, anlık olarak da TMS nabız teslimat 20 sırasında EEG satın durdurmak için geliştirilmiştir. Bu teknik özel donanım gerektirir, ama tamamen artık TMS objeyi kaldırmak değil sadece. Bu yazıda Thut ve meslektaşları 19, ERP çalışmaları için uygundur tarafından geliştirilen bir EEG-TMS yönteminin bir uyarlaması anlatacağız. Bu teknik ERP güvenilir çıkarma TMS darbe Şekil 2 kaynaklanır tüm kalan gürültü bileşenlerini ortadan kaldırırken. Biz daha başarılı bir EEG-TMS deneysel kurulum yönelik genel rehberlik sağlayacaktır sağlar.
TMS çalışmaların bir diğer zorluk i elen bu metodolojik kağıt istenen kortikal alanda doğru bir hedefleme için en iyi bobin konumunu ve açısını bulgudur. Biz önceden kazanılmış fonksiyonel MR görüntüleri ile deneğin kafasını coregister bir stereotaktik navigasyon sisteminin kullanımını anlatacağız. Navigasyon sistemi anatomik tanımlı beyin yapılarını lokalize etmek için kullanılabilir, ancak bir çok fonksiyon ve deneysel etkileri için aktivasyon hassas konum başına anatomik belirteçleri elde edilemez çünkü, bir fMRI güdümlü hedefleme özellikle yararlıdır. Ilgi (ROI) gibi fonksiyonel bölgeler için, bir alanın tanımı her bir katılımcı için yapılır.
Yukarıdaki tüm göstermek için, biz EEG, fMRI aktivasyonlar 7 rehberliğinde TMS ile eşzamanlı olarak kaydedildiği, daha önce yapılan bir çalışmada bir örnek vereceğiz. Bu çalışmada, çift ayrışma yüz-selektif ve vücut-seçici ERPs arasında yapıldı: rağmen yüz ve vücut Potentinals bezelyeHer ERP tepkinin altında yatan sinir ağları ayırmak için etkin yanal oksipital lobda ayrı ayrı tanımlanmış yüz-selektif ve vücut-seçici alanları hedefleyen, aynı gecikme ve elektrot siteleri civarında k. Son olarak, TMS uygulaması sırasında EEG kayıt optimize etmek için daha genel tavsiye vermeye çalışacağız.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kesin zaman noktalarında ve nispeten iyi bir mekansal doğrulukla an seçilmiş kortikal alanlarda normal nöronal aktiviteyi bozacak benzersiz yeteneği, sahip, TMS nedensel bir davranış ya da bir nörofizyolojik ölçü ile uyarılmış beyin alanı bağlantı sağlar. Bu yazıda fonksiyonel olarak tanımlanmış kortikal alanları hedefleyen ve ERP yanıtların güvenilir bir ölçümünü sağlayan bir analiz uygulayarak, eşzamanlı TMS uygulama sırasında EEG ölçümü için bir yöntem tarif. Biz TMS verilen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Biz bu TMS deney yaptığı değerli katkılarından dolayı David Pitcher teşekkür etmek istiyorum. Bu araştırma BS, Wolfson Vakfı hibe Beyin Haritalama için Levie-Edersheim-Gitter Enstitüsü'nden bir burs tarafından finanse edildi; İsrail Bilim Vakfı ve GY için British Council Araştırmacı Değişim Programı deney Gelişmiş Görüntüleme, Tel-Aviv Sourasky Tıp Merkezi için Wohl Enstitüsü'nde yürütülen bir seyahat izni 65/08 ve 1657-1608 verir.
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. |
References
- Pascual-Leone, A., Walsh, V., Rothwell, J. Transcranial magnetic stimulation in cognitive neuroscience–virtual lesion, chronometry, and functional connectivity. Curr Opin Neurobiol. 10, 232-237 (2000).
- Taylor, P. C., Walsh, V., Eimer, M. Combining TMS and EEG to study cognitive function and cortico-cortico interactions. Behav Brain Res. 191, 141-147 (2008).
- Dugue, L., Marque, P., VanRullen, R. The Phase of Ongoing Oscillations Mediates the Causal Relation between Brain Excitation and Visual Perception. Journal of Neuroscience. 31, 11889-11893 (2011).
- Massimini, M., et al. Triggering sleep slow waves by transcranial magnetic stimulation. Proc Natl Acad Sci U S A. 104, 8496-8501 (2007).
- Taylor, P. C., Nobre, A. C., Rushworth, M. F. FEF TMS affects visual cortical activity. Cereb Cortex. 17, 391-399 (2007).
- Thut, G., Miniussi, C. New insights into rhythmic brain activity from TMS-EEG studies. Trends Cogn Sci. 13, 182-189 (2009).
- Sadeh, B., et al. Stimulation of category-selective brain areas modulates ERP to their preferred categories. Curr Biol. 21, 1894-1899 (2011).
- Bentin, S., Allison, T., Puce, A., Perez, E., McCarthy, G. Electrophysiological studies of face perception in humans. Journal of Cognitive Neuroscience. 8, 551-565 (1996).
- Rossion, B., Joyce, C. A., Cottrell, G. W., Tarr, M. J. Early lateralization and orientation tuning for face, word, and object processing in the visual cortex. Neuroimage. 20, 1609-1624 (2003).
- Baker, C. I., et al. Visual word processing and experiential origins of functional selectivity in human extrastriate cortex. Proc Natl Acad Sci USA. 104, 9087-9092 (2007).
- Kanwisher, N., Yovel, G. The fusiform face area: a cortical region specialized for the perception of faces. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 361, 2109-2128 (2006).
- Op de Beeck, ., P, H., Haushofer, J., Kanwisher, N. G. Interpreting fMRI data: maps, modules and dimensions. Nat Rev Neurosci. 9, 123-135 (2008).
- Okon-Singer, H., et al. Spatio-temporal indications of sub-cortical involvement in leftward bias of spatial attention. Neuroimage. 54, 3010-3020 (2011).
- Sadaghiani, S., et al. alpha-band phase synchrony is related to activity in the fronto-parietal adaptive control network. J Neurosci. 32, 14305-14310 (2012).
- Sadeh, B., Podlipsky, I., Zhdanov, A., Yovel, G. Event-related potential and functional MRI measures of face-selectivity are highly correlated: a simultaneous ERP-fMRI investigation. Human Brain Mapping. 31, 1490-1501 (2010).
- Ilmoniemi, R. J., Kicic, D. Methodology for combined TMS and EEG. Brain Topogr. 22, 233-248 (2010).
- Julkunen, P., et al. Efficient reduction of stimulus artefact in TMS-EEG by epithelial short-circuiting by mini-punctures. Clin Neurophysiol. 119, 475-481 (2008).
- Siebner, H. R., et al. Consensus paper: combining transcranial stimulation with neuroimaging. Brain Stimulation. 2, 58-80 (2009).
- Thut, G., Ives, J. R., Kampmann, F., Pastor, M. A., Pascual-Leone, A. A new device and protocol for combining TMS and online recordings of EEG and evoked potentials. Journal of Neuroscience Methods. 141, 207-217 (2005).
- Virtanen, J., Ruohonen, J., Naatanen, R., Ilmoniemi, R. J. Instrumentation for the measurement of electric brain responses to transcranial magnetic stimulation. Med Biol Eng Comput. 37, 322-326 (1999).
- Litvak, V., et al. Artifact correction and source analysis of early electroencephalographic responses evoked by transcranial magnetic stimulation over primary motor cortex. Neuroimage. 37, 56-70 (2007).
- Morbidi, F., et al. Off-line removal of TMS-induced artifacts on human electroencephalography by Kalman filter. Journal of Neuroscience Methods. 162, 293-302 (2007).
- Brett, M., Anton, J. L., Valabregue, R., Poline, J. B. . The 8th International Conference on Functional Mapping of the Human Brain. , (2002).
- Brainard, D. H. The Psychophysics Toolbox. Spat. Vis. 10, 433-436 (1997).
- Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin Neurophysiol. 120, 2008-2039 (2009).
- Fuggetta, G., Pavone, E. F., Walsh, V., Kiss, M., Eimer, M. Cortico-cortical interactions in spatial attention: A combined ERP/TMS study. J Neurophysiol. 95, 3277-3280 (2006).
- Reichenbach, A., Whittingstall, K., Thielscher, A. Effects of transcranial magnetic stimulation on visual evoked potentials in a visual suppression task. Neuroimage. 54, 1375-1384 (2011).
- Taylor, P. C., Walsh, V., Eimer, M. The neural signature of phosphene perception. Human Brain Mapping. 31, 1408-1417 (2010).
- Iwahashi, M., Katayama, Y., Ueno, S., Iramina, K. Effect of transcranial magnetic stimulation on P300 of event-related potential. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. , 1359-1362 (2009).
- Zanon, M., Busan, P., Monti, F., Pizzolato, G., Battaglini, P. P. Cortical connections between dorsal and ventral visual streams in humans: Evidence by TMS/EEG co-registration. Brain Topogr. 22, 307-317 (2010).
- Veniero, D., Bortoletto, M., Miniussi, C. TMS-EEG co-registration: on TMS-induced artifact. Clin Neurophysiol. 120, 1392-1399 (2009).
- Andoh, J., Zatorre, R. J. Mapping the after-effects of theta burst stimulation on the human auditory cortex with functional imaging. J Vis Exp. , (2012).
- Thierry, G., et al. An event-related potential component sensitive to images of the human body. Neuroimage. 32, 871-879 (2006).
- Pitcher, D., Charles, L., Devlin, J. T., Walsh, V., Duchaine, B. Triple dissociation of faces, bodies, and objects in extrastriate cortex. Curr Biol. 19, 319-324 (2009).
- Pitcher, D., Walsh, V., Yovel, G., Duchaine, B. TMS evidence for the involvement of the right occipital face area in early face processing. Curr Biol. 17, 1568-1573 (2007).
