fMRI를 유도 경 두개 자기 자극하는 동안 기록 된 EEG 데이터에서 시각 유발 전위를 추출
Summary
이 논문은 기능성 자기 공명 영상 (fMRI)으로 밝혀 활성화에 의해 유도 동시 경 두개 자기 자극 (TMS) 동안 (EEG)의 데이터를 수집하고 뇌파를 분석하는 방법을 설명합니다. 사건 관련 전위의 TMS 이슈 제거 및 추출 방법은 패러다임의 설계 및 실험 장치의 고려 사항뿐만 아니라 설명되어 있습니다.
Abstract
경 두개 자기 자극 (TMS)의 피질 영역과인지 / 신경 생리 학적 효과 사이에 인과 관계를 확립하기위한 효과적인 방법이다. 구체적으로는, 대상 영역의 정상적인 활동과 과도의 간섭을 만들고 전기 생리 신호의 변화를 측정함으로써, 우리는 자극 뇌 영역 또는 네트워크와 우리가 기록 전기 생리 신호의 인과 관계를 확립 할 수있다. 목표 뇌 영역을 기능적으로 이전의 fMRI 스캔으로 정의하는 경우, TMS 기록 유발 전위와의 fMRI 활성화를 연결하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 이러한 실험을 실시하는 것은 상당한 기술적 자기 펄스에 의해 EEG 신호에 도입 된 높은 진폭의 유물 주어진 도전, 성공적으로 기능의 fMRI에 의해 정의 된 영역을 대상으로 어려움을 선물한다. 여기에 우리가 일반적으로 사용하는 세 가지 도구를 결합하는 방법을 설명합니다 TMS, 뇌파, 그리고 fMRI를합니다. 우리는 자극 & #을 안내하는 방법에 대해 설명합니다39, EEG-TMS의 조합 방법에 기록 된 데이터를 신뢰할 수있는 ERP를 추출하기에 적합한 ERP 연구를 설계하는 방법, 동시 TMS 동안 뇌파를 기록하는 방법을 해부학 적 또는 기능적 MRI 데이터를 사용하여 원하는 대상 지역에의 코일. 우리는 fMRI를 유도 TMS는 얼굴 선택적 N1과 ERP의 몸 선택적 N1 구성 요소가 extrastriate 피질에서 별개의 신경 네트워크와 관련된 것을 보여주기 위해 EEG와 동시에 사용하는 이전에 출판 된 연구에서 대표적인 결과를 제공 할 것입니다. 이 방법은 우리가 TMS와 EEG의 높은 시간 해상도의 fMRI의 높은 공간 해상도를 결합하고, 따라서 여러인지 과정의 신경 기초의 포괄적 인 이해를 얻을 수 있습니다.
Introduction
경 두개 자기 자극 (TMS)은 뇌의 대상 지역에서 정상적인 신경 활동에 순간적인 간섭을 생성합니다. 이 일시적인 신경 간섭을 만들고 행동이나 생리적 변화를 측정함으로써, 우리는 (리뷰 참조 파스 쿠알 – 리온 등. 테일러 등. 1,2) 대상 지역 및 측정 실험 결과 사이의 인과 관계를 그릴 수 있습니다. 이러한 실험 결과는, 예를 들면, 일 수있다인지 작업이나 전기 생리학 (EEG) 활성의 변화에 대한 성능. 사실, 최근 몇 년 동안 연구자들은 직접 이벤트 관련 전위 (ERP) 또는 진동 활동 패턴 (예 : 2-7)으로 대뇌 피질의 영역을 관련시키는 EEG와 함께 TMS를 사용하기 시작했습니다. ERP의 실험 기간 동안 fMRI를 유도 TMS :이 방법 론적 논문에서는 TMS와 EEG를 결합하는 특정하고 유용한 프레임 워크를 설명한다. 첫째, 우리는 FM에 의해 미리 정의 된 영역에 TMS를 적용하는 방법에 대해 자세히는 것RI, EEG 데이터를 기록하는 동안. 우리는 신뢰할 수있는 ERP의 추출을 허용하는 실험 설계를 설명한다. 이러한 실험의 목적은 관심의 ERP 구성 요소에 대한 기능 MRI로 밝혀 링크 뇌 영역을 인과 적으로하는 것입니다. 마지막으로, 우리는 fMRI를 함께 공개됩니다 얼굴과 몸 선택적 영역으로 얼굴과 몸 선택적까지 ERP 관련된 연구의 구체적인 예를 제공합니다.
의 fMRI 활성화와 EEG 신호를 연결의 장점은 무엇입니까? EEG와 fMRI를 일반적으로 시각적 입력에 대뇌 피질의 반응을 측정하는 도구를 사용합니다. 예를 들어, 시각 경로의 카테고리 선택도는 EEG 데이터 8,9 및 기능 MRI 10-12에서 추출 된 ERP에 의해 모두 같은 얼굴, 신체 부위, 그리고 문어와 같은 다른 시각적 개체 범주에 대해 평가 하였다. 이러한 두 가지 일반적인 연구 도구에 의해 측정 된 신호는 근본적으로 다른 성격, 그러나이다. EEG는 큰 시간과 신경의 전기 활동에 대한 정보를 전달정밀하지만, 매우 낮은 공간 해상도와 많은 별도의 기본 소스의 혼합물을 반영 할 수있다. 의 fMRI는 자극 프레 젠 테이션 및 / 또는 작업을 실행하는 동안 발생하는 느린 혈역학 적 변화에 의존하는 신경 활동의 간접적 인 측정을 제공하지만, 높은 공간 해상도로이 활동을 제공합니다. 이 측정 값 간의 상관 관계를 확립하는 것은 따라서 특별한 관심이 될 수 있지만, 두피 기록 전기 생리 반응과 기능적 MRI로 밝혀 영역 간의 인과 관계를 의미하지는 않는다는 점에서 제한된다. (예 : 13 ~ 15)을 동시에 측정 한 경우에도, EEG 및 기능적 정의 대뇌 피질의 영역에서 활동 사이의 방향 인과 관계를 확인할 수 없습니다. TMS는 인과 관계의 설립을 달성 도움을 줄 수있는 도구입니다.
동시에 EEG-TMS 연구는 주로 인해 EEG 신호 B에 소개 된 고전압 이슈에, 방법 론적 도전Y 자기 자극 (검토를 위해 그림 1은 Ilmoniemi 등. 16 참조). 이 유물은 종종 펄스, 따라서 그 대부분의 ERP 구성 요소를 무시하고 그림 2A를 전달 (밀리 초)의 수백을 지속 할 수있는 느린 보조 (또는 잔여) 유물 다음에 과도 짧은 생활 펄스 관련 장애,로 구성되어 있습니다. 이차 이슈는 배선과 피부에서 이러한 전류의 느린 붕괴로 자기 펄스에 의해 유도 전류, 및 그러한 동작에 의해 유발 두피 및 청각 또는 체성 감각 유발 전위 이상의 근육 활동과 같은 생리적 소스 등의 기계적 소스를 포함 할 수있다 코일 17-20. 간섭 기계적 소스 아마 생리적 것들보다 더 큰 진폭의 아티팩트를 생성하지만, 이러한 다양한 아티팩트 분리 될 수없고, 신호에서 어느 하나의 존재는 결과를 혼란시킬 수있다. 한 가지 때문에동시에 EEG-TMS 반대로 lution는 ( "오프라인 TMS")를 기록하는 종래 EEG로 반복 TMS 펄스의인가이다. 대뇌 피질의 활동에 이러한 프로토콜의 억제 효과는 몇 분 동안 지속 (반 시간까지) 자극 후 및 EEG이 효과적인 시간대 동안 측정 기준과 비교, 사전 TMS, EEG 데이터를 할 수 있습니다. 반복적 인 자극은, 그러나, 펄스 밀리 초 해상도에서 시험 개시에 정확한 타이밍 상대적으로 관리 할 수있는 온라인 TMS가 제공 할 수 있습니다 높은 시간 해상도가 부족한 정의하는 것입니다. 반복적 인 자극의 효과는 원하는 것보다 더 넓은 영역에 걸쳐 피질 연결을 통해 전파하기 때문에 상당히 아니라 공간 해상도를 감소시킬 수있다.
TMS가 제공 할 수있는 양의 공간 및 시간 해상도를 이용하려면, 동시에 EEG-TMS 조합이 적용될 수있다. 그러나,이 아티팩트를 제거하기위한 방법이 필요합니다EEG 신호의 자기 자극에 의해 생성 된. 어떤 방법이 합의되지 않지만 TMS 이슈 제거를위한 거의 오프라인 수학 솔루션은 16,21,22를 제안되었다, 어떤 한 가지 방법은 모든 실험 설계를위한 최적하지 않을 수 있습니다. 샘플 앤 홀드 회로로 구성된 "클리핑"시스템이, 또한 순간적으로 TMS 펄스 배달 20시 EEG 수집을 정지하기 위해 개발되었다.이 기술은 전문적인 하드웨어를 필요로하지만, 완전히 잔류 TMS 아티팩트를 제거 할 수 없습니다뿐만 아니라. 본 논문에서 우리는 Thut 및 동료 19, ERP 연구에 적합 개발 한 EEG-TMS 방법의 적응을 설명합니다. 이 기술은 ERP의 안정적인 추출 TMS 펄스 그림 2에 기인 한 모든 잔류 잡음 성분을 제거하는 동안. 우리는 더 성공적으로 EEG-TMS 실험 설정으로 일반적인 지침을 제공 할 수 있습니다.
TMS 연구의 또 다른 문제는 나에게 해결N이 방법 론적 논문은 원하는 피질 영역의 정확한 타겟팅을위한 최고의 코일의 위치와 각도를 찾는 것입니다. 우리는 미리 취득한 기능적 MRI 이미지와 함께 피사체의 머리 coregister하는 정위 네비게이션 시스템의 사용을 설명 할 것이다. 네비게이션 시스템은 해부학 적으로 정의 뇌 구조를 집중하는 데 사용될 수 있지만 많은 기능 및 효과에 대한 실험 활성화의 정확한 위치는 단독 해부학 마커에서 유추 할 수는 없으므로, fMRI를 유도 타겟팅은 특히 유용하다. 관심 (ROI)의 이러한 기능 영역의 경우, 영역의 정의는 개별적으로 각 참가자에 대해 구성되어 있습니다.
위의 모든 것을 설명하기 위해, 우리는 우리가 EEG가의 fMRI 활성화 (7)에 의해 유도 TMS와 동시에 기록 된에서, 이전에 실시한 연구의 예를 제공 할 것입니다. 본 연구에서는 이중 해리는 얼굴 선택 및 신체 선택적까지 ERP 사이되었다 : 비록 얼굴과 몸까지 ERP 완두콩각 ERP 응답의 기초가되는 신경 네트워크를 해리 할 수있었습니다 측 후두엽에 개별적으로 정의 된 얼굴 선택 및 신체 선택 영역을 대상으로 같은 대기 시간 및 전극 사이트의 주위에 K. 마지막으로, 우리는 TMS 적용하는 동안 뇌파 기록을 최적화하기위한 일반적인 조언을 제공하기 위해 노력할 것입니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
정확한 시점에 비교적 좋은 공간 정확도를 일시적으로 선택 대뇌 피질의 영역에서 정상 신경 세포의 활동을 방해 할 수있는 독특한 능력을 가지고, TMS는 인과 적 행동이나 신경 생리 학적 측정과 자극을 뇌 영역을 연결 할 수 있습니다. 본 논문에서는 기능적 정의 피질 영역을 대상으로하고, ERP 응답의 신뢰성있는 측정을 가능하게 분석을 적용하여 동시 TMS 애플리케이션 중에 EEG를 측정하는 방법?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는이 TMS 실험에 자신의 귀중한 기여 데이비드 투수에게 감사의 말씀을 전합니다. 이 연구는 BS, 울프슨 재단 보조금에 대한 뇌 매핑에 대한 Levie의 – 에더 샤임 – Gitter 연구소에서 친교에 의해 투자되었다; 이스라엘 과학 재단과 GY에 영국 문화원의 연구원 교환 프로그램 실험은 고급 이미징, 텔 아비브 Sourasky 의료 센터의 Wohl 연구소에서 실시되었다에서 여행 부여에서 65 / 08 및 1657년부터 1608년까지을 부여합니다.
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).
