A Multimodal Imaging- e baseada Estimulação método de avaliação de conectividade relacionadas com o cérebro Excitabilidade em doentes com epilepsia

Summary

Resting-state functional-connectivity MRI has identified abnormalities in patients with a wide range of neuropsychiatric disorders, including epilepsy due to malformations of cortical development. Transcranial Magnetic Stimulation in combination with EEG can demonstrate that patients with epilepsy have cortical hyperexcitability in regions with abnormal connectivity.

Abstract

Resting-state functional connectivity MRI (rs-fcMRI) is a technique that identifies connectivity between different brain regions based on correlations over time in the blood-oxygenation level dependent signal. rs-fcMRI has been applied extensively to identify abnormalities in brain connectivity in different neurologic and psychiatric diseases. However, the relationship among rs-fcMRI connectivity abnormalities, brain electrophysiology and disease state is unknown, in part because the causal significance of alterations in functional connectivity in disease pathophysiology has not been established. Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) is a technique that uses electromagnetic induction to noninvasively produce focal changes in cortical activity. When combined with electroencephalography (EEG), TMS can be used to assess the brain’s response to external perturbations. Here we provide a protocol for combining rs-fcMRI, TMS and EEG to assess the physiologic significance of alterations in functional connectivity in patients with neuropsychiatric disease. We provide representative results from a previously published study in which rs-fcMRI was used to identify regions with abnormal connectivity in patients with epilepsy due to a malformation of cortical development, periventricular nodular heterotopia (PNH). Stimulation in patients with epilepsy resulted in abnormal TMS-evoked EEG activity relative to stimulation of the same sites in matched healthy control patients, with an abnormal increase in the late component of the TMS-evoked potential, consistent with cortical hyperexcitability. This abnormality was specific to regions with abnormal resting-state functional connectivity. Electrical source analysis in a subject with previously recorded seizures demonstrated that the origin of the abnormal TMS-evoked activity co-localized with the seizure-onset zone, suggesting the presence of an epileptogenic circuit. These results demonstrate how rs-fcMRI, TMS and EEG can be utilized together to identify and understand the physiological significance of abnormal brain connectivity in human diseases.

Introduction

A estimulação magnética transcraniana (TMS) é um meio de forma não invasiva estimular regiões do córtex através da indução eletromagnética. Em TMS, uma grande mas limitada espacialmente fluxo magnético é usado para induzir um campo eléctrico numa área cortical alvo, e assim modular a actividade do tecido neural subjacente. TMS para o motor do córtex resultado em potenciais evocados motores que podem ser medidos perifericamente através de eletromiografia (EMG). Quando aplicado em pares ou em tripletos de impulsos, TMS pode ser usado para avaliar a actividade de circuitos GABAérgicos e glutaminérgicos intracortical ^1-3 específicos, e assim avaliar o equilíbrio de excitação e de inibição in vivo em pacientes humanos. Na epilepsia, especificamente, estudos de TMS têm mostrado que a hiperexcitabilidade cortical está presente em pacientes com epilepsia ^4,5, e pode normalizar com a terapia bem sucedida droga anti-epiléptico e, assim, prever a resposta à medicação ^6. Além disso, medidas de TMS de ex corticalcitability mostrar valores intermediários em pacientes com uma única apreensão ⁷ e em irmãos de pacientes com ambas as epilepsias focais idiopáticas generalizadas e adquiridas ^8. Estas descobertas sugerem que as medidas TMS de excitabilidade cortical pode permitir-nos identificar endofenótipos para a epilepsia. No entanto, a sensibilidade e especificidade destas medidas são limitadas, provavelmente porque TMS-EMG só poderá ser avaliado com a estimulação de motoras circuitos corticais, e muitos pacientes com epilepsia têm focos de apreensão fora do córtex motor.

Electroencefalográfica (EEG) fornece uma oportunidade para medir directamente a resposta cerebral a TMS, e pode ser utilizado para avaliar a reactividade cerebral através de grandes áreas do neocórtex. Estudos integrando TMS com EEG (TMS-EEG) mostraram que TMS produz ondas de atividade, que se repercutem em todo o córtex ^9,10 e que são reprodutíveis e confiáveis ^11-13. Ao avaliar a propagação da atividade evocadaem diferentes estados comportamentais e em diferentes tarefas, TMS-EEG foi utilizado para sondar a conectividade causalmente eficaz dinâmica de redes cerebrais humanos ^10,14-16. Medidas TMS-EEG mostraram alterações significativas em doenças que vão desde a esquizofrenia ¹⁷ a TDAH ^18, e em distúrbios de consciência tais como estado vegetativo persistente ^19. Além disso, vários grupos identificaram correlatos EEG do pulso emparelhado métricas TMS-EMG que são anormais em pacientes com epilepsia ^20,21. De particular relevância, estudos anteriores também sugeriram que a actividade de EEG anormal evocadas por estimulação é observado em pacientes com epilepsia ^22-25.

Outra forma de avaliar os circuitos cerebrais é através de descanso estado conectividade funcional MRI (rs-fcMRI), uma técnica que avalia as correlações ao longo do tempo no nível de oxigenação do sangue sinal dependente (BOLD) de diferentes regiões do cérebro ^26. estudos que utilizamRS-fcMRI demonstraram que o cérebro humano está organizada em diferentes redes de regiões que interagem ^26-29, doenças neuropsiquiátricas que podem ocorrer dentro de grandes redes neurais específicas distribuídos identificados pela RS-fcMRI ^30, e que as redes cerebrais identificados através RS- fcMRI são frequentemente anormal em estados de doenças neuropsiquiátricas ^31,32. Em termos de aplicações clínicas potenciais, rs-fcMRI tem várias vantagens sobre baseada em tarefas de aplicação fMRI convencional ^33, incluindo uma menor dependência em matéria de cooperação assunto e preocupação com o desempenho variável. Consequentemente, tem havido recentemente uma explosão de estudos explorando alterações RS-fcMRI em diferentes estados de doença. No entanto, uma das limitações do RS-fcMRI é a dificuldade em determinar se e como correlações (ou anticorrelations) no sinal negrito referem-se às interacções electrofisiológicos que formam a base da comunicação neuronal. Um problema relacionado é que é often claro se os RS-fcMRI mudanças observadas em vários estados de doença têm um significado fisiológico. Em particular no que diz respeito a epilepsia, não está claro se anormalidades no rs-fcMRI são unicamente devido a transientes epileptiformes interictais, ou existem independentemente de tais anormalidades eletrofisiológicas; simultânea EEG-fMRI é necessária para ajudar a avaliar entre estas possibilidades ^34.

Como TMS pode ser usado para produzir alterações transitórias ou sustentados nas ativações de diferentes regiões corticais, estudos TMS fornecer um meio de avaliar causalmente o significado de diferentes padrões de conectividade fMRI de descanso do estado. Uma abordagem é a utilização de RS-fcMRI para orientar os esforços de estimulação terapêuticos em diferentes estados de doença; que poderia ser esperado que a TMS dirigida às regiões que estão funcionalmente ligados a domínios que se sabe estarem envolvidos em vários estados de doença é mais provável que seja terapeuticamente eficaz do que o TMS dirigida às regiões sem tais functioconectividade nal, e na verdade vários estudos descobriram evidências preliminares para este ^35,36. Outra abordagem seria envolver o uso de TMS-EEG para avaliar causalmente o significado fisiológico de padrões fcMRI diferente de descanso do estado. Especificamente, pode-se testar a hipótese de que as regiões que mostram conectividade funcional anormal num estado de doença específico deverá mostrar uma resposta diferente à estimulação nos pacientes do que em indivíduos saudáveis, e que essas anormalidades fisiológicas estão presentes especificamente (ou principalmente) com a estimulação do anormalmente região ligada.

Para ilustrar o acima, nós fornecemos um exemplo de um estudo recente em que rs-fcMRI, TMS e EEG foram combinados para explorar hiperexcitabilidade cortical em pacientes com epilepsia devido ao desenvolvimento anomalia cerebral heterotopia nodular periventricular (PNH) ^37. Os pacientes com HPN presente clinicamente com epilepsia adolescent- ou adulto-início, deficiência de leitura e inte normaislligence, e têm nódulos anormais de matéria cinzenta adjacentes aos ventrículos laterais em neuroimagem ^38,39. Estudos anteriores demonstraram que estes nódulos periventriculares de matéria cinzenta heterotópica são estruturalmente e funcionalmente ligada a focos discretos no neocórtex ^40,41, e que as convulsões epilépticas podem ser provenientes de regiões neocorticais, a matéria cinzenta heterotópica, ou ambos, simultaneamente, ^42, sugerindo que epileptog�ese esses pacientes é um fenômeno circuito. Usando descanso estado fc-MRI para orientar TMS-EEG, demonstramos que pacientes com epilepsia ativa devido a PNH tem evidência de hiperexcitabilidade cortical, e que esta hiperexcitabilidade parece ser limitada às regiões com conectividade funcional anormal para os nódulos profundos.

O protocolo é realizado em duas sessões separadas. Durante a primeira sessão, sequências de contraste de MRI sangue-oxigenação estrutural e de descanso estado de nível-dependentes (negrito) são adquiridos(Para pacientes), ou apenas a sequências de ressonância magnética estrutural (para os controles saudáveis). Entre as primeira e segunda sessões, a análise funcional conectividade-estado de repouso é utilizado para definir os alvos corticais para os pacientes, e coordena a MNI são obtidos para estes alvos. Os alvos corticais equivalentes (com base no MNI coordenadas) são, então, identificados para cada assunto de controle saudável. Na segunda sessão, os dados são obtidos TMS-EEG.

No exemplo dado neste documento, análises de ressonância magnética funcional de suporte e conectividade foram realizadas utilizando um conjunto de ferramentas de software in-house e do software RM ^43,44. Neuro-navegado TMS foi realizada com um estimulador magnética transcraniana com tempo real MRI neuronavegação. EEG foi gravado com um sistema TMS compatível com 60 canais, que utiliza um circuito sample-and-hold para evitar a saturação do amplificador pelo TMS. Os dados de EEG foram analisados usando scripts personalizados e o EEGLAB caixa de ferramentas ⁴⁵ (versão 12.0.2.4b) em execução no MATLAB R2012b.

Protocol

O protocolo aqui descrito foi aprovado pelos conselhos de revisão institucionais do Beth Israel Deaconess Medical Center e do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. Seleção 1. Sob A seleção dos pacientes para o protocolo de pesquisa. Identificar pacientes com epilepsia ativa (convulsões dentro do ano passado), ou um histórico de epilepsia remoto (convulsões anteriores, mas sem convulsões nos últimos cinco anos, dentro ou fora de medicação) e heterotopia nod…

Representative Results

Descansando em estado conectividade funcional fMRI pode ser usado para identificar regiões do córtex que demonstram alta conectividade funcional com os heterotópicos periventriculares cinza nódulos matéria (Figura 1), e regiões de controle, sem essa conectividade. Para determinar se essa conectividade funcional anormal tem um significado fisiológico, a região cortical com a atividade de descanso estado correlacionada pode ser escolhido como o "conectados&quo…

Discussion

Descansando em estado conectividade funcional MRI foi usado para identificar a conectividade de rede no cérebro humano, e para identificar alterações de conectividade que ocorrem em diferentes estados de doença ^26,31,32. No entanto, como conectividade funcional fMRI se baseia na identificação correlações no sinal BOLD e, como alterações de oxigenação do sangue têm uma relação não-trivial com a atividade neural subjacente, o significado causal e relevância fisiológica desses achados conectivi…

Materials

3T MRI scanner
MRI functional connectivity software
MRI image viewing software			MRICron
Transcranial Magnetic Stimulator	Nexstim	eXimia Stimulator	Can use stimulators from other suppliers e.g. Magventure, Magstim
MRI neuronavigation system	Nexstim	NBS v3.2.1	Alternative MRI neuronavigation system e.g. Brainsight, Localite
TMS-compatible EEG system	Nexstim	Eximia EEG	Alternatives: Brain Products, Synamps, ANT
Matlab	Mathworks	R2012b	Alternatives: Octave
EEGLab
Minimum Norm Estimate (MNE) software
FreeSurfer