استخراج الإمكانيات البصرية مستدعى من EEG البيانات المسجلة أثناء الرنين المغناطيسي الوظيفي الموجهة عبر الجمجمة التحفيز المغناطيسي
Summary
وتصف هذه الورقة طريقة لجمع وتحليل المخ (EEG) البيانات خلال التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة المتزامنة (TMS) تسترشد التنشيط كشفت وظيفية مع التصوير بالرنين المغناطيسي (الرنين المغناطيسي الوظيفي). يوصف طريقة لإزالة TMS قطعة أثرية واستخراج إمكانات الحدث ذات الصلة فضلا عن الاعتبارات في تصميم النموذج والإعداد التجريبية.
Abstract
عبر الجمجمة التحفيز المغناطيسي (TMS) هو وسيلة فعالة لإقامة علاقة سببية بين منطقة القشرية والآثار المعرفية / العصبية. على وجه التحديد، من خلال خلق تدخل عابرة مع النشاط الطبيعي للمنطقة المستهدفة وقياس التغيرات في إشارة الكهربية، ويمكننا إثبات وجود صلة سببية بين منطقة المخ حفز أو الشبكة والإشارة الكهربية التي نسجل. إذا تم تعريف مناطق الدماغ الهدف وظيفيا مع الرنين المغناطيسي الوظيفي قبل مسح، TMS يمكن أن تستخدم لربط الرنين المغناطيسي الوظيفي التنشيط مع إمكانات أثار المسجلة. ومع ذلك، وإجراء مثل هذه التجارب تحديات تقنية كبيرة بالنظر إلى الأعمال الفنية السعة العالية التي أدخلت على إشارة EEG التي كتبها نبض المغناطيسي، وصعوبة في استهداف المناطق التي تم تعريفها وظيفيا من خلال الرنين المغناطيسي الوظيفي بنجاح. نحن هنا وصف منهجية للجمع بين هذه الأدوات الثلاثة الشائعة: TMS، EEG، والرنين المغناطيسي الوظيفي. نشرح كيفية توجيه مشجعا & #39، ق فائف إلى منطقة الهدف المنشود باستخدام بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي التشريحية أو الوظيفية، وكيفية تسجيل EEG خلال المتزامنة TMS، وكيفية تصميم دراسة ERP مناسبة لEEG-TMS تركيبة وكيفية استخراج ERP موثوقة من البيانات المسجلة. وسوف نقدم نتائج ممثلة من دراسة نشرت في وقت سابق، والذي كان يستخدم TMS الرنين المغناطيسي الوظيفي الموجهة بالتزامن مع EEG لاظهار ان N1 وجه انتقائية وانتقائية الجسم المكون من N1 ERP ترتبط مع الشبكات العصبية في القشرة متميزة خارج الجسم المخطط. هذا الأسلوب يسمح لنا الجمع بين القرار مكانية عالية من الرنين المغناطيسي الوظيفي مع القرار الزماني عالية من TMS وEEG، وبالتالي الحصول على فهم شامل للأساس العصبية من العمليات المعرفية المختلفة.
Introduction
تحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) لحظة يولد تدخل إلى النشاط العصبي الطبيعي في المناطق المستهدفة من الدماغ. من خلال خلق هذا التدخل العصبية العابرة وقياس تغيير السلوك أو الفسيولوجية، يمكننا استخلاص وجود علاقة سببية بين المنطقة المستهدفة وتأثير التجريبية قياس (لاستعراض رؤية باسكوال ليون، وآخرون. وتايلور وآخرون، 1،2). قد يكون مثل هذا التأثير التجريبية، على سبيل المثال، على أداء مهمة المعرفية أو تغيير في الكهربية (EEG) النشاط. في الواقع، في السنوات الأخيرة قد بدأت الباحثون باستخدام TMS في تركيبة مع EEG لتتصل مباشرة المناطق القشرية مع إمكانات ذات الصلة بالحدث (ERP) أو أنماط النشاط متذبذبة (على سبيل المثال 2-7). في هذه الورقة المنهجية فإننا سوف تصف إطارا خاصة ومفيدة للجمع بين TMS وEEG: TMS الرنين المغناطيسي الوظيفي الموجهة خلال تجربة تخطيط موارد المؤسسات. الأولى، ونحن سوف بالتفصيل كيفية تطبيق TMS إلى مناطق محددة مسبقا من قبل وزير الخارجيةRI، في حين تم تسجيل البيانات EEG. وسوف نقوم بعد ذلك تصف التصميم التجريبي الذي يسمح استخراج ERP موثوق بها. الهدف من هذه التجربة هو سببيا مناطق الدماغ كشفت الرابط مع التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي لمكونات ERP من الفائدة. أخيرا، وسنقدم مثال محدد من دراسة تتعلق الوجه والجسم نظم تخطيط موارد المؤسسات انتقائية مع الوجه والجسم المناطق الانتقائية التي كشفت مع الرنين المغناطيسي الوظيفي.
ما هي الفائدة من ربط إشارات EEG مع التنشيط الرنين المغناطيسي الوظيفي؟ وتستخدم EEG والرنين المغناطيسي الوظيفي عادة أدوات لقياس الاستجابات القشرية إلى المدخلات البصرية. على سبيل المثال، تم تقييم فئة الانتقائية في مسار البصرية لمختلف فئات الكائن البصرية مثل وجوه، وأجزاء الجسم، والكلمات المكتوبة، سواء عن طريق تخطيط موارد المؤسسات المستخرجة من 8،9 البيانات EEG، والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي 10-12. الإشارات تقاس هذه الأدوات البحثية المشتركة هما، ولكن من طبيعة مختلفة جذريا. EEG يحمل معلومات حول النشاط الكهربائي العصبية مع الزمانية كبيرةالدقة، ولكن القرار المكانية منخفضة جدا وربما يعكس خليط من العديد من المصادر الأساسية منفصلة. يوفر الرنين المغناطيسي الوظيفي تدبيرا غير المباشرة لنشاط الخلايا العصبية التي تعتمد على التغيرات التي تحدث خلال الدورة الدموية بطيئة عرض الحوافز و / أو تنفيذ المهمة، ولكن يقدم هذا النشاط مع ارتفاع القرار المكانية. يمكن إنشاء ارتباط بين المقياسين وبالتالي تكون ذات فائدة كبيرة، ولكن يقتصر في أنه لا يعني وجود علاقة سببية بين الاستجابة الكهربية المسجلة فروة الرأس والمناطق مع كشف التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي. حتى عند قياسها في وقت واحد (على سبيل المثال 13-15)، لا يمكن تحديد علاقة سببية بين اتجاهي EEG والنشاط في المناطق القشرية محددة وظيفيا. TMS هو الأداة التي يمكن أن تساعد تحقيق إقامة مثل هذه العلاقة السببية.
دراسة EEG-TMS في وقت واحد يمثل تحديا منهجيا، يرجع في معظمه إلى قطعة أثرية عالية الجهد التي أدخلت على إشارة EEG بذ التحفيز المغناطيسي (انظر الشكل 1، لاستعراض رؤية Ilmoniemi وآخرون 16). يتكون هذا قطعة أثرية من فترة قصيرة المتعلقة نبض اضطراب معيشة عابرة، وغالبا ما يتبعه الثانوي (أو المتبقية) قطعة أثرية أبطأ التي قد تستمر لبضعة مئات من ميلي ثانية بعد أن يتم تسليم نبض الشكل 2A، وبالتالي تجاوز معظم مكونات تخطيط موارد المؤسسات من الفائدة. ويمكن أن تشمل هذه القطع الأثرية الثانوي مصادر الميكانيكية مثل التيارات الناجمة عن النبض المغناطيسي في الأسلاك والاضمحلال البطيء لهذه التيارات في الجلد، ومصادر الفسيولوجية مثل النشاط العضلي على فروة الرأس والسمعية أو الحسية الجسدية التي تسببها أثار إمكانات تشغيل لفائف 17-20. على الرغم من أن مصادر الميكانيكية التدخل ربما تنتج القطع الأثرية السعة أكبر من تلك الفسيولوجية، لا يمكن فصل هذه القطع الأثرية المختلفة، ووجود أي واحد منهم في إشارة يمكن أن يتغلب على النتائج. واحد ممكن حتىlution هو تطبيق نبضات TMS المتكررة قبل EEG تسجيل ("حاليا TMS")، في مقابل متزامنة EEG-TMS. تأثير المثبطة من مثل هذا البروتوكول على النشاط القشرية استمرت لعدة دقائق (وتصل إلى نصف ساعة) بعد التحفيز، والتخطيط الدماغي يمكن قياسها خلال هذه النافذة الفعالة للوقت وبالمقارنة مع خط الأساس، قبل TMS، البيانات EEG. التحفيز المتكرر، ومع ذلك، هو بالتعريف تفتقر إلى القرار الزماني العالية التي قد تقدم على الانترنت TMS، حيث يمكن أن تدار البقول في توقيت دقيق بالنسبة لبداية المحاكمة في القرار ميلي ثانية واحدة. تأثير التحفيز المتكرر قد نشر أيضا عبر اتصالات القشرية عبر منطقة أوسع من المطلوب وبالتالي خفض كبير في القرار المكانية كذلك.
للاستفادة من كل من القرار المكانية والزمانية التي TMS يمكن أن توفر، في وقت واحد مجموعة EEG-TMS يمكن تطبيقها. ومع ذلك، وهذا يتطلب أساليب لإزالة القطع الأثريةالتي تم إنشاؤها بواسطة التحفيز المغناطيسي على إشارة EEG. لقد تم اقتراح عدد قليل جدا من الحلول الرياضية حاليا لإزالة قطعة أثرية TMS 16،21،22، على الرغم من عدم طريقة يتم الاتفاق عليها، ويوجد أسلوب واحد قد يكون الأمثل لجميع التصاميم التجريبية. وقد تم تطوير نظام "لقطة"، التي تتألف من عينة، وعقد الدوائر، وأيضا لوقف للحظات اقتناء EEG خلال TMS نبض تسليم 20. هذا الأسلوب يتطلب ليس فقط الأجهزة المتخصصة، ولكن قد لا إزالة تماما TMS قطعة أثرية المتبقية. في هذه الورقة سنقوم بشرح للتكيف من منهجية EEG-TMS التي وضعتها Thut وزملاؤه 19، ومناسبة خاصة للدراسات تخطيط موارد المؤسسات. هذا الأسلوب يسمح استخراج موثوقة لتخطيط موارد المؤسسات في حين القضاء على كافة المكونات المتبقية الضوضاء الناجمة عن TMS نبض الشكل 2، ونحن كذلك توفير إرشادات عامة نحو EEG-TMS الإعداد التجريبية الناجحة.
تحد آخر في الدراسات TMS موجهة طن هذه الورقة المنهجية هو العثور على أفضل وضع لفائف وزاوية لاستهداف دقيق لمنطقة القشرية المطلوب. سنقوم بشرح استخدام نظام الملاحة المجسم لcoregister رأس الموضوع مع الصور الفنية المكتسبة قبل التصوير بالرنين المغناطيسي. على الرغم من أن نظام الملاحة يمكن استخدامها لتوطين هياكل الدماغ تشريحيا تعريف، وهو استهداف الرنين المغناطيسي الوظيفي الموجهة مفيد بشكل خاص منذ لكثير من وظائف والآثار التجريبية الموقع الدقيق التنشيط لا يمكن الاستدلال على ذلك من علامات تشريحية وحدها. لمثل هذه المناطق الوظيفية ذات الاهتمام (ROI)، ويتم تعريف مساحة لكل مشارك على حدة.
لتوضيح كل ما سبق، وسوف نقدم مثالا على الدراسة التي أجريناها سابقا، والتي تم تسجيلها EEG بالتزامن مع TMS تسترشد التنشيط الرنين المغناطيسي الوظيفي 7. في هذه الدراسة، قدم تفارق مزدوجة بين نظم تخطيط موارد المؤسسات وجها انتقائية وانتقائية الجسم: على الرغم من الوجه والجسم البازلاء نظم تخطيط موارد المؤسساتك حول نفس الكمون والقطب المواقع، واستهداف المناطق وجها انتقائية والجسم انتقائية محددة بشكل فردي في الفص القذالي الوحشي مكنتنا من فصل الشبكات العصبية الكامنة وراء كل استجابة تخطيط موارد المؤسسات. أخيرا، ونحن سوف نحاول أن نقدم أكثر المشورة العامة لتحسين تسجيل EEG خلال تطبيق TMS.
Protocol
Representative Results
Discussion
لديها القدرة الفريدة لتعطيل نشاط الخلايا العصبية للحظات عادية في المناطق القشرية المحدد، في نقاط زمنية دقيقة ومع دقة مكانية جيدة نسبيا، TMS يسمح لربط سببيا منطقة الدماغ حفز مع السلوكية أو مقياس العصبية. في هذه الورقة وصفنا طريقة لقياس EEG خلال تطبيق TMS المتزامنة، واسته…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نود أن نشكر ديفيد القاذف لمساهمته القيمة في هذه التجربة TMS. وقد تم تمويل هذا البحث من قبل الزمالة من معهد ليفي-Edersheim-مشبكة لرسم خرائط الدماغ لBS، منحة من مؤسسة وولفسون؛ يمنح 65/08 و1657-1608 من مؤسسة العلوم الإسرائيلية ومنحة سفر من برنامج التبادل الثقافي البريطاني الباحث إلى غراي أجريت التجربة في معهد وول التصوير المتقدم، تل أبيب مركز سوراسكي الطبي.
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. |
Referenzen
- 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).
