Извлечение зрительных вызванных потенциалов из ЭЭГ данные, записанные во МРТ-управляемой транскраниальной магнитной стимуляции
Summary
Эта статья описывает способ сбора и анализа электроэнцефалографии данные (ЭЭГ) во время параллельного транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС), руководствуясь активаций выявленных с функциональной магнитно-резонансной томографии (МРТ). Способ TMS удаления артефактов и извлечения событий, связанных потенциалов описывается, а также соображениями в области дизайна парадигмы и экспериментальной установки.
Abstract
Транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) является эффективным методом для установления причинно-следственной связи между области коры и когнитивных / нейрофизиологических эффектов. В частности, путем создания переходных помех нормальной деятельности целевой области и измерения изменений в электрофизиологического сигнала, мы можем установить причинно-следственную связь между вынужденного области мозга или сети и электрофизиологического сигнала, что мы записываем. Если области целевой мозга функционально определяется до сканирования МРТ, ТМС могут быть использованы, чтобы связать активации МРТ с вызванных потенциалов, записанных. Однако, проведение таких экспериментов представляет значительные технические трудности, учитывая высокую артефакты амплитудные введенные в сигнал ЭЭГ магнитным импульсом, и трудности, чтобы успешно целевых областей, которые были функционально определенные МРТ. Здесь мы опишем методику для объединения этих трех общих инструментов: TMS, ЭЭГ и МРТ. Мы объясняем, как вести стимулятор & #39; с катушки на нужную целевую область с использованием анатомических или функциональных данные МРТ, как для записи ЭЭГ во время параллельного TMS, как проектировать ERP исследование подходящий для комбинации ЭЭГ-TMS и как извлечь надежную ERP из записанных данных. Мы будем предоставлять репрезентативные результаты из ранее опубликованных исследований, в котором МРТ наведением ТМС одновременно с ЭЭГ, используемой, чтобы показать, что лицо селективного N1 и N1 элемент кузова-селективный из ERP связаны с различных нейронных сетей в extrastriate мозга. Этот метод позволяет совместить высокое пространственное разрешение МРТ с высоким временным разрешением TMS и ЭЭГ и поэтому получить полное представление о нервной основе различных познавательных процессов.
Introduction
Транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) генерирует кратковременный помех нормального нейронной активности в целевых областях мозга. Создавая этот переходный нейронной помех и измерения поведенческого или физиологические изменения, можно сделать причинную связь между целевой области и измеренной экспериментальной эффекта (см. обзор Паскуаль-Леоне и др.., И Тейлор и др.. 1,2). Такой экспериментальный эффект может быть, например, производительность на когнитивной задачи или изменение электрофизиологических (ЭЭГ) активности. Действительно, в последние годы исследователи начали использовать TMS в сочетании с ЭЭГ непосредственно касаются областей коры с связанных с событиями потенциалов (ERP) или колебательных моделей деятельности (например, 2-7). В этой методологической статье мы опишем конкретный и полезную основу для объединения TMS и ЭЭГ: МРТ наведением TMS во время ERP эксперимента. Во-первых, мы подробно рассматривается, как применять TMS в районы, предопределенных FMР.И., во время записи данных ЭЭГ. Затем мы описать экспериментальный дизайн, который позволяет добычу надежного ERP. Цель такого эксперимента является причинно ссылке области мозга, выявленных с функциональной МРТ к ERP компонентов, представляющих интерес. Наконец, мы дадим конкретный пример исследования, касающиеся лица и тела избирательное ERPs с лица и тела определенные зоны, которые открыты с МРТ.
В чем заключаются преимущества увязки сигналы ЭЭГ с МРТ активаций? ЭЭГ и МРТ обычно используются инструменты для измерения корковых ответов на визуальной информации. Например, категория-селективность в зрительного пути оценивали для различных категорий визуальных объектов, таких как лица, частей тела, и написанные слова, как с помощью ERP, выделенных из ЭЭГ 8,9 данных и функциональной МРТ 10-12. Сигналы, измеренные этими двумя общими инструментов исследования, однако, принципиально иной характер. ЭЭГ несет информацию о нейронной электрической активности с большим височнойточность, но очень низкого пространственного разрешения и может отражать смесь многих отдельных базовых источников. МРТ обеспечивает косвенную меру активности нейронов, опираясь на медленных изменений гемодинамики, возникающих при предъявления стимула и / или выполнения задачи, но представляет эту деятельность с более высоким пространственным разрешением. Установление связи между этими двумя показателями может, таким образом, представляет большой интерес, но ограничен в том, что это не означает, причинную связь между волосистой части головы записанные электрофизиологического ответа и областях, выявленных с функциональной МРТ. Даже когда измерены одновременно (например, 13-15), направленный причинная связь между ЭЭГ и активности в функционально определенных областей коры не может быть определена. ТМС является инструментом, который может помочь достижению создание такой причинно-следственной связи.
Одновременное изучение ЭЭГ-ТМС методологически сложным, в основном из-за артефакта высокого напряжения, вводимого в сигнала ЭЭГ бу магнитная стимуляция (см. рисунок 1, см. обзор Ilmoniemi др.. 16). Этот артефакт состоит из переходного короткого импульса связанных нарушения гостиной, часто с последующим более медленным вторичного (или остаточной) артефакт, который может длиться несколько сотен миллисекунд после импульса поставляется рисунке 2а, тем самым перекрывая большинство ERP компоненты, представляющие интерес. Этот вторичный артефакт может включать механические источники, такие как токов, наведенных магнитным импульсом в проводке и медленного распада этих токов в коже и физиологических источников, таких как мышечной деятельности за кожей головы и слуховых или соматосенсорных вызванных потенциалов, вызываемый работы катушка 17-20. Хотя механические источники помех, вероятно, больше размеры артефакты амплитуду, чем физиологических эти различные артефакты не могут быть разделены, и существование любого из них в сигнале может смешивать результаты. Один можно такLution является применение повторяющихся TMS импульсов до регистрации ЭЭГ ("форума TMS»), в отличие от одновременного ЭЭГ-TMS. Тормозящий эффект такого протокола на корковой активности сохраняется в течение нескольких минут (и до получаса) после стимуляции, и ЭЭГ могут быть измерены в течение этого эффективного временного окна и по сравнению с исходным уровнем, предварительно TMS, данные ЭЭГ. Повторные стимуляции, однако, по определению не хватает высокое временное разрешение, что онлайн TMS может предложить, где импульсы могут быть введены в точной синхронизации по отношению к пробной начала при разрешении миллисекунд. Влияние ритмической стимуляции могут также распространяться через корковых связей по всей широкой области, чем необходимо, и поэтому значительно снизить пространственное разрешение, а также.
Для того чтобы воспользоваться как пространственным и временным разрешением, что ТМС может обеспечить, одновременное сочетание ЭЭГ-ТМС могут быть применены. Однако, это требует методов удаления артефактовпорожденный магнитной стимуляции на сигнал ЭЭГ. Очень немногие форума математические решения для TMS удаления артефактов были предложены 16,21,22, хотя ни один из методов не будет согласован, и ни один метод не может быть оптимальным для всех экспериментальных конструкций. "Отсечения" система, состоящая из выборки и хранения схемы, также была разработана на мгновение остановить приобретение ЭЭГ во время TMS доставки импульса 20. Эта техника не только требует специализированного аппаратного, но не может полностью удалить остаточную TMS артефакт. В этой статье мы опишем адаптацию методологии ЭЭГ-TMS разработанной Thut и коллег 19, особенно подходит для ERP исследований. Эта техника позволяет надежным добыча ERP, устраняя все остаточные компоненты шума, вызванные TMS импульса рисунке 2. Мы будем и далее обеспечивать общее руководство к успешной ЭЭГ-TMS экспериментальной установки.
Еще одной проблемой в TMS исследований обратился Iн это методологическая работа находя наилучшую позицию катушки и угол для точного таргетинга желаемого области коры. Мы опишем использование стереотаксической системой навигации для coregister голову субъекта с предварительно приобретенных функциональных изображениях МРТ. Хотя навигационная система может быть использована для локализации анатомически определенных структур мозга, МРТ наведением таргетинг особенно полезна, так как для многих функций и экспериментальных эффектов точное местоположение активации не может быть выведено только из анатомических маркеров. Для таких функциональных областях, представляющих интерес (ROI), определение области производится для каждого участника в отдельности.
Чтобы проиллюстрировать все вышесказанное, мы предоставим пример исследования, проведенного нами ранее, в котором ЭЭГ регистрировали одновременно с ТМС руководствуясь МРТ активаций 7. В этом исследовании, двойной диссоциации между лицом селективных и тела-селективный ФКЗ: хотя лицо и тело ФКЗ горохаК вокруг тех же задержки и электродных сайтов, ориентированных индивидуально определенные лицом селективные и тела-селективный области в боковом затылочной доли позволило нам отделить нейронных сетей, лежащих в основе каждого ответа ERP. Наконец, мы постараемся, чтобы дать больше общего, советуют для оптимизации записи ЭЭГ во время TMS применения.
Protocol
Representative Results
Discussion
Имея уникальную способность мгновенно нарушить нормальную активность нейронов в отдельных областях коры, в точных временных точках и с относительно хорошим пространственным точности, ТМС позволяет причинно связать стимулируется область мозга с поведенческий или нейрофизиологичес?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы хотели бы поблагодарить Дэвида Кувшин за его ценный вклад в эту TMS эксперимента. Это исследование финансировалось за счет общения с Леви-Эдершейм-Gitter Института Мозга карт к BS, гранта от Wolfson Foundation; предоставляет 65/08 и 1657/08 от научного фонда Израиля и путевых от исследователя Британский Совет программе обмена в к GY Эксперимент проводился в Воль института Advanced Imaging, Тель-Авив Sourasky медицинский центр.
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).
