JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Neuroscience

Комбинированные транскраниальной магнитной стимуляции и электроэнцефалография Дорсолатеральное префронтальной коры

Published: August 17, 2018
doi:
10.3791/57983
, , , ,
1Temerty Centre for Therapeutic Brain Intervention at the Centre for Addiction and Mental Health, 2Department of Psychiatry and Institute of Medical Science, Faculty of Medicine,University of Toronto

Summary

Представленные здесь протокол предназначен для TMS-ЭЭГ исследования с использованием intracortical возбудимость тест-повторный тест дизайн парадигмы. Целью протокола является для получения надежных и воспроизводимых корковой возбудимости меры для оценки, нейрофизиологические функционирования связанных с терапевтических вмешательств в лечении психоневрологических заболеваний, таких как депрессия.

Abstract

Транскраниальная магнитная стимуляция (TMS) является неинвазивным методом, который производит нервные возбуждения в коре головного мозга с помощью импульсов краткий, нестационарных магнитного поля. Начало корковой активации или его модуляции зависит от фона активации нейронов коркового региона активирован, характеристики катушки, его положения и его ориентацию в отношении руководителя. TMS в сочетании с одновременным electrocephalography (ЭЭГ) и нейронавигация (НТС ЭЭГ) позволяет для оценки cortico корковой возбудимости и подключения в почти всех корковых областях образом воспроизводимость. Это заранее делает НТС ЭЭГ мощный инструмент, который может точно оценить динамику мозг и нейрофизиологии в тест тестирование парадигм, которые требуются для клинических испытаний. Ограничения этого метода включают артефактов, которые охватывают реактивности первоначальный мозга для стимуляции. Таким образом процесс удаления артефактов могут также извлечь ценную информацию. Кроме того полностью не известны оптимальные параметры для Дорсолатеральное префронтальной стимуляции (DLPFC) и текущие протоколы используют вариации от парадигмы стимуляция моторной коры (M1). Однако развивается НТС ЭЭГ конструкций надеюсь для решения этих вопросов. Здесь представлены протокол вводит некоторые стандартные практики для оценки нейрофизиологических функционирования от стимуляции для DLPFC, которые могут применяться у больных с устойчивостью лечения психических расстройств, которые получают лечение, такие как постоянного тока транскраниальной стимуляции (ЦТД), повторяющихся транскраниальной магнитной стимуляции (rTMS), магнитный захват терапии (MST) или электросудорожной терапии (ЭСТ).

Introduction

Транскраниальная магнитная стимуляция (TMS) является нейрофизиологическое инструмент, который позволяет для неинвазивной оценки кортикального слоя нейронной активности с помощью быстрого, нестационарных магнитного поля импульсов1. Эти импульсы магнитного поля вызвать слабый ток в поверхностных коры под катушки, которая приводит к деполяризации мембраны. Последующего корковой активации или модуляции непосредственно связана с характеристики катушки, его угол и ориентации на череп2. Волны импульса из катушки и базового состояния нейронов также влияют на результирующий корковой активации3.

TMS позволяет производить оценку корковых функций, вызывая поведенческих или моторных ответов или через прекращение связанных с задачей обработки. Возбудимость спинного мозга cortico процессов может быть оценена путем записи электромиографической ответы (ГРП), вызвал из одного TMS импульсов за моторной коры, тогда как intracortical возбуждающих (intracortical содействие; ICF) и тормозных механизмов (короткие и длинные intracortical торможения; SICI и LICI) может быть исследован с TMS в паре пульс. Повторяющихся TMS может нарушить различных когнитивных процессов, но используется главным образом в качестве лечебного средства для целого ряда нервно-психических расстройств. Кроме того сочетание TMS с одновременным электроэнцефалографии (TMS-ЭЭГ) может использоваться для оценки cortico корковой возбудимости и подключения4. Наконец если администрация TMS поставляется с нейронавигация (НТС), это позволит для точного тестирования тестирование парадигм поскольку точное место стимуляции могут быть записаны. Большинство кортикального слоя мантии могут быть направлены и стимулировали (включая те районы, которые не производят измеримые физические или поведенческие реакции) таким образом коры могут быть функционально сопоставлены.

ЭЭГ сигнала, вызывали от одного или парные пульс TMS может облегчить оценку cortico корковые связи5 и текущее состояние головного мозга. НП индуцированной электрического тока приводит к потенциалы действия, которые можно активировать синапсы. Распределение токов постсинаптических могут быть записаны путем ЭЭГ6. ЭЭГ сигнал может использоваться для количественного определения и обнаружения синаптических текущего распределения через диполя моделирования7 или8минимальные нормы оценки, когда используются многоканальной ЭЭГ и с структурой проводимости головку приходилось. Комбинированные TMS-ЭЭГ могут быть использованы для изучения корковых ингибирующее процессов9, колебания10, cortico корковых11 и межполушарные взаимодействия12и13Пластичность коры головного мозга. Самое главное TMS-ЭЭГ может зонд возбудимости изменения во время задачи когнитивной или мотор с хорошей тест Тестирование надежности14,15. Важно отметить, что СПТ-ЭЭГ имеет потенциал для определения нейрофизиологических сигналы, которые могут служить в качестве предикторов ответ на терапевтических вмешательств (rTMS или фармакологические эффекты) в тест тестирование образцов16,17.

Принципы нейронавигация для НП основана на принципах бескаркасных stereotaxy. Используйте оптических систем отслеживания системы18 , которая использует светоизлучающие камеру, которая взаимодействует с светоотражающие оптические элементы, придает головы (через трекер ссылок) и катушка TMS. Нейронавигация позволяет для локализации катушки на 3-D модели МРТ с помощью оцифровки справочного инструмента или пера. Использование нейронавигация облегчает захват катушки ориентацию, расположение и выравнивание руководителю субъекта, а также оцифровка позиций электрода ЭЭГ. Эти функции необходимы для тест-повторный тест дизайн экспериментов и точной стимуляции в указанном месте в Дорсолатеральное префронтальной коры.

Для того чтобы использовать протокол TMS-ЭЭГ в эксперименте тест тестирование, там должна быть точной ориентации и последовательное стимулирование корковых региона для получения надежных сигналов. TMS-ЭЭГ записи могут быть уязвимы для различных артефактов. TMS индуцированных артефакт на электроды ЭЭГ могут быть отфильтрованы с усилители, которые могут восстановить после задержки19,20 или усилители, которые не могут быть насыщенным21. Однако другие типы артефактов, движения глаз или мигает, черепной мышечной активации в близости электродов ЭЭГ, случайные электрода движения и их поляризации, и катушки нажмите или соматические ощущения должны быть приняты во внимание. Предметом тщательной подготовки, что обеспечивает электрод импедансы ниже 5 kΩ, иммобилизация катушки над электродов и пены между катушкой и электроды для уменьшения вибрации (или заполнитель для ликвидации низкой частоты артефакты22), затычки для ушей и даже слуховой маскировки должны использоваться для сведения к минимуму этих артефактов23. Здесь представлены протокол вводит стандартный процесс для оценки нейрофизиологических функционирования, когда стимуляция применяется над Дорсолатеральное префронтальной (DLPFC). Основное внимание уделяется общих парадигм в паре пульс, которые были проверены в исследованиях M19,,1516.

Protocol

Все экспериментальные процедуры, представленные здесь были утверждены Комитетом наши местные этические рекомендаций Хельсинкской декларации. 1. Глава регистрация на Neuronavigated TMS — ЭЭГ Получите всю голову высоким разрешением T1-взвешенный структурных МРТ для каждого…

Representative Results

Рисунок 1 A иллюстрирует TMSevoked потенциалов после стимуляции DLPFC над F3 электрода после среднем 100 эпох от каждой сессии один из здоровых добровольцев. На этом рисунке мы подчеркиваем эффект CS на TS по сравнению с одного пульс состояние когда TS прим…

Discussion

TMS-ЭЭГ позволяет прямой и неинвазивной стимуляции большинства корковых областях и приобретение результате нейронной активности с очень хорошим пространственно временных резолюции30, особенно когда используются нейронавигация. Преимущество этой методологической заране?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа частично финансируется NIMH R01 MH112815. Эта работа также была поддержана Темертей Family Foundation, Грант Фонда семьи и Кэмпбелл семья психического здоровья научно-исследовательский институт в центре для наркомании и психического здоровья.

Materials

CED Micro1401-3 Cambridge Electronic Design Limited CED Micro1401-3 Digital Data Recocrder
BISTIM'2 Package Option 1 Magstim 3234-00 TMS paired pulse stimulator
Magstim 200'2 Unit (2 items) Magstim 3010-00 TMS stimulators
UI controller Magstim 3020-00 TMS controller
BISTIM'2 UI controller Magstim 3021-00 TMS controller
BISTIM connecting module Magstim 3330-00 TMS connecting module
D70 Alpha Coil – P/N 4150-00 (Alpha 70mm double coil) Magstim 4150-00 TMS coil
Brainsight Rogue-Resolutions Brainsight 2 Neuronavigator
Model 2024F Intronix 2024F Electromyograph
Neuroscan SynAmps RT 64 channel System Compumedics Neuroscan 9032-0010-01 Electroencephalograph
Quick-Cap electrode system 64 Compumedics Neuroscan 96050255 EEG Cap
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Barker, A. T., Jalinous, R., Freeston, I. L. Non-invasive magnetic stimulation of human motor cortex. Lancet. 1 (8437), 1106-1107 (1985).
  2. Ilmoniemi, R. J., Ruohonen, J., Karhu, J. Transcranial magnetic stimulation–a new tool for functional imaging of the brain. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 27 (3-5), 241-284 (1999).
  3. Matthews, P. B. The effect of firing on the excitability of a model motoneurone and its implications for cortical stimulation. The Journal of Physiology. 518, 867-882 (1999).
  4. Casali, A. G., Casarotto, S., Rosanova, M., Mariotti, M., Massimini, M. General indices to characterize the electrical response of the cerebral cortex to TMS. NeuroImage. 49 (2), 1459-1468 (2010).
  5. Massimini, M., Ferrarelli, F., Huber, R., Esser, S. K., Singh, H., Tononi, G. Breakdown of cortical effective connectivity during sleep. Science. 309 (5744), 2228-2232 (2005).
  6. Ilmoniemi, R. J., et al. Neuronal responses to magnetic stimulation reveal cortical reactivity and connectivity. Neuroreport. 8 (16), 3537-3540 (1997).
  7. Scherg, M., Ebersole, J. S. Models of brain sources. Brain Topography. 5 (4), 419-423 (1993).
  8. Hämäläinen, M. S., Ilmoniemi, R. J. Interpreting magnetic fields of the brain: minimum norm estimates. Medical & Biological Engineering & Computing. 32 (1), 35-42 (1994).
  9. Daskalakis, Z. J., Farzan, F., Barr, M. S., Maller, J. J., Chen, R., Fitzgerald, P. B. Long-interval cortical inhibition from the dorsolateral prefrontal cortex: a TMS-EEG study. Neuropsychopharmacology: Official Publication of the American College of Neuropsychopharmacology. 33 (12), 2860-2869 (2008).
  10. Rosanova, M., Casali, A., Bellina, V., Resta, F., Mariotti, M., Massimini, M. Natural frequencies of human corticothalamic circuits. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 29 (24), 7679-7685 (2009).
  11. Groppa, S., Muthuraman, M., Otto, B., Deuschl, G., Siebner, H. R., Raethjen, J. Subcortical substrates of TMS induced modulation of the cortico-cortical connectivity. Brain Stimulation. 6 (2), 138-146 (2013).
  12. Borich, M. R., Wheaton, L. A., Brodie, S. M., Lakhani, B., Boyd, L. A. Evaluating interhemispheric cortical responses to transcranial magnetic stimulation in chronic stroke: A TMS-EEG investigation. Neuroscience Letters. 618, 25-30 (2016).
  13. Chung, S. W., et al. Demonstration of short-term plasticity in the dorsolateral prefrontal cortex with theta burst stimulation: A TMS-EEG study. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 128 (7), 1117-1126 (2017).
  14. Lioumis, P., Kicić, D., Savolainen, P., Mäkelä, J. P., Kähkönen, S. Reproducibility of TMS-Evoked EEG responses. Human Brain Mapping. 30 (4), 1387-1396 (2009).
  15. Farzan, F., et al. Reliability of long-interval cortical inhibition in healthy human subjects: a TMS-EEG study. Journal of Neurophysiology. 104 (3), 1339-1346 (2010).
  16. Cash, R. F. H., et al. Characterization of Glutamatergic and GABAA-Mediated Neurotransmission in Motor and Dorsolateral Prefrontal Cortex Using Paired-Pulse TMS-EEG. Neuropsychopharmacology: Official Publication of the American College of Neuropsychopharmacology. 42 (2), 502-511 (2017).
  17. Premoli, I., et al. TMS-EEG signatures of GABAergic neurotransmission in the human cortex. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 34 (16), 5603-5612 (2014).
  18. Wiles, A. D., Thompson, D. G., Frantz, D. D. Accuracy assessment and interpretation for optical tracking systems. SPIE. 5367, 421-433 (2004).
  19. Iramina, K., Maeno, T., Nonaka, Y., Ueno, S. Measurement of evoked electroencephalography induced by transcranial magnetic stimulation. Journal of Applied Physics. 93 (10), 6718-6720 (2003).
  20. Virtanen, J., Ruohonen, J., Näätänen, R., Ilmoniemi, R. J. Instrumentation for the measurement of electric brain responses to transcranial magnetic stimulation. Medical & Biological Engineering & Computing. 37 (3), 322-326 (1999).
  21. Ives, J. R., Rotenberg, A., Poma, R., Thut, G., Pascual-Leone, A. Electroencephalographic recording during transcranial magnetic stimulation in humans and animals. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 117 (8), 1870-1875 (2006).
  22. Ruddy, K. L., Woolley, D. G., Mantini, D., Balsters, J. H., Enz, N., Wenderoth, N. Improving the quality of combined EEG-TMS neural recordings: Introducing the coil spacer. Journal of Neuroscience Methods. 294, 34-39 (2017).
  23. Massimini, M., et al. Cortical reactivity and effective connectivity during REM sleep in humans. Cognitive Neuroscience. 1 (3), 176-183 (2010).
  24. Yousry, T. A., et al. Localization of the motor hand area to a knob on the precentral gyrus. A new landmark. Brain: A Journal of Neurology. 120, 141-157 (1997).
  25. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  26. Chen, R., et al. Intracortical inhibition and facilitation in different representations of the human motor cortex. Journal of Neurophysiology. 80 (6), 2870-2881 (1998).
  27. Saisane, L., et al. Short- and intermediate-interval cortical inhibition and facilitation assessed by navigated transcranial magnetic stimulation. Journal of Neuroscience Methods. 195 (2), 241-248 (2011).
  28. Ferreri, F., et al. Human brain connectivity during single and paired pulse transcranial magnetic stimulation. NeuroImage. 54 (1), 90-102 (2011).
  29. Premoli, I., et al. Characterization of GABAB-receptor mediated neurotransmission in the human cortex by paired-pulse TMS-EEG. NeuroImage. 103, 152-162 (2014).
  30. Rogasch, N. C., Fitzgerald, P. B. Assessing cortical network properties using TMS-EEG. Human Brain Mapping. 34 (7), 1652-1669 (2013).
  31. Ilmoniemi, R. J., Kicić, D. Methodology for combined TMS and EEG. Brain Topography. 22 (4), 233-248 (2010).
  32. Peterchev, A. V., D’Ostilio, K., Rothwell, J. C., Murphy, D. L. Controllable pulse parameter transcranial magnetic stimulator with enhanced circuit topology and pulse shaping. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056023 (2014).
  33. Fecchio, M., et al. The spectral features of EEG responses to transcranial magnetic stimulation of the primary motor cortex depend on the amplitude of the motor evoked potentials. PLOS ONE. 12 (9), 0184910 (2017).
  34. Saari, J., Kallioniemi, E., Tarvainen, M., Julkunen, P. Oscillatory TMS-EEG-Responses as a Measure of the Cortical Excitability Threshold. IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering: a publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 26 (2), 383-391 (2018).
  35. Fox, M. D., Liu, H., Pascual-Leone, A. Identification of reproducible individualized targets for treatment of depression with TMS based on intrinsic connectivity. NeuroImage. 66, 151-160 (2013).
  36. Casarotto, S., et al. Transcranial magnetic stimulation-evoked EEG/cortical potentials in physiological and pathological aging. Neuroreport. 22 (12), 592-597 (2011).
  37. Casarotto, S., et al. EEG responses to TMS are sensitive to changes in the perturbation parameters and repeatable over time. PloS One. 5 (4), 10281 (2010).
  38. Wu, W., et al. ARTIST: A fully automated artifact rejection algorithm for single-pulse TMS-EEG data. Human Brain Mapping. , (2018).
  39. Mutanen, T. P., Metsomaa, J., Liljander, S., Ilmoniemi, R. J. Automatic and robust noise suppression in EEG and MEG: The SOUND algorithm. NeuroImage. 166, 135-151 (2018).
  40. Ilmoniemi, R. J., et al. Dealing with artifacts in TMS-evoked EEG. Conference proceedings: …Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Annual Conference. 2015, 230-233 (2015).
  41. Rogasch, N. C., et al. Removing artefacts from TMS-EEG recordings using independent component analysis: importance for assessing prefrontal and motor cortex network properties. NeuroImage. 101, 425-439 (2014).
  42. Mutanen, T. P., Kukkonen, M., Nieminen, J. O., Stenroos, M., Sarvas, J., Ilmoniemi, R. J. Recovering TMS-evoked EEG responses masked by muscle artifacts. NeuroImage. 139, 157-166 (2016).
  43. Farzan, F., Vernet, M., Shafi, M. M. D., Rotenberg, A., Daskalakis, Z. J., Pascual-Leone, A. Characterizing and Modulating Brain Circuitry through Transcranial Magnetic Stimulation Combined with Electroencephalography. Frontiers in Neural Circuits. 10, 73 (2016).
  44. Casula, E. P., Pellicciari, M. C., Picazio, S., Caltagirone, C., Koch, G. Spike-timing-dependent plasticity in the human dorso-lateral prefrontal cortex. NeuroImage. 143, 204-213 (2016).
  45. Noda, Y., et al. Characterization of the influence of age on GABAA and glutamatergic mediated functions in the dorsolateral prefrontal cortex using paired-pulse TMS-EEG. Aging. 9 (2), 556-572 (2017).
  46. Fitzgerald, P. B., Maller, J. J., Hoy, K., Farzan, F., Daskalakis, Z. J. GABA and cortical inhibition in motor and non-motor regions using combined TMS-EEG: a time analysis. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 120 (9), 1706-1710 (2009).

Tags

Transcranial Magnetic StimulationElectroencephalographyDorsolateral Prefrontal CortexNeurophysiologyPsychiatryCortical ExcitabilityMRITMS CoilEEGEMG
check_url/57983?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Lioumis, P., Zomorrodi, R., Hadas, I., Daskalakis, Z. J., Blumberger, D. M. Combined Transcranial Magnetic Stimulation and Electroencephalography of the Dorsolateral Prefrontal Cortex. J. Vis. Exp. (138), e57983, doi:10.3791/57983 (2018).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image