Udpakning Visual evoked potentials fra EEG registreringer i fMRI-vejledt Transcranial Magnetic Stimulation
Summary
Dette papir beskriver en metode til indsamling og analyse electroencefalografi (EEG) data under samtidig transkraniel magnetisk stimulation (TMS) styret af aktiveringer afsløret med funktionel magnetisk resonans (fMRI). En metode til TMS artefakt fjernelse og udvinding af event potentialer beskrives samt overvejelser i paradigme design og forsøgsopstilling.
Abstract
Transcranial Magnetisk Stimulation (TMS) er en effektiv metode til at etablere en årsagssammenhæng mellem et kortikale område og kognitive / neurofysiologiske effekter. Konkret ved at skabe en forbigående forstyrrelse med den normale aktivitet af en målområde og måling af ændringer i en elektrofysiologiske signal, kan vi fastslå en årsagssammenhæng mellem den stimulerede hjerne område eller netværket og elektrofysiologiske signal, vi registrerer. Hvis målet hjernen områder funktionelt er defineret med tidligere fMRI scanning, kunne TMS bruges til at forbinde fMRI aktiveringer med evoked potentialer registreres. Men gennemføre sådanne eksperimenter præsenterer betydelige tekniske udfordringer på grund af de høje amplitude artefakter indført i EEG-signalet ved den magnetiske puls, og det er vanskeligt at kunne målrette områder, der var funktionelt defineret af fMRI. Her beskriver vi en metode til at kombinere disse tre fælles værktøjer: TMS, EEG og fMRI. Vi forklarer, hvordan at vejlede stimulator & #39, s spole til det ønskede mål området ved hjælp af anatomiske eller funktionelle MRI data, hvordan du optager EEG under samtidig TMS, hvordan man kan designe en ERP-studie egnet til EEG-TMS kombination, og hvordan man kan udtrække pålidelig ERP fra de registrerede oplysninger. Vi vil give repræsentative resultater fra en tidligere offentliggjort undersøgelse, hvor fMRI-vejledt TMS blev anvendt samtidig med EEG at vise, at ansigt-selektive N1 og kroppen-selektive N1 komponent af ERP er forbundet med forskellige neurale netværk i extrastriate cortex. Denne metode giver os mulighed for at kombinere høj rumlig opløsning af fMRI med høj tidslig opløsning på TMS og EEG og dermed opnå en samlet forståelse af den neurale grundlag af forskellige kognitive processer.
Introduction
Transkraniel magnetisk stimulation (TMS) genererer momentan interferens med den normale neurale aktivitet i målområderne i hjernen. Ved at skabe denne forbigående neurale forstyrrelser og måle en adfærdsmæssig eller fysiologisk forandring, kan vi drage en årsagssammenhæng mellem målområdet og den målte eksperimentelle effekt (for en gennemgang se Pascual-Leone et al. Og Taylor et al. 1,2). En sådan eksperimentel virkning kan for eksempel være en ydeevne på en kognitiv opgave eller en ændring i elektrofysiologiske (EEG) aktivitet. Ja, i de senere år har forskere begyndt at bruge TMS i kombination med EEG til direkte relatere kortikale områder med event-relaterede potentialer (ERP) eller oscillerende aktivitet mønstre (fx 2-7). I denne metodologiske dokument vil vi beskrive en særlig og nyttig ramme for at kombinere TMS og EEG: fMRI-vejledt TMS under et ERP eksperiment. Først vil vi beskrive, hvordan at anvende TMS til områder foruddefineret af fMRI, mens du optager EEG-data. Vi vil derefter beskrive et eksperimentelt design, der giver udvinding af pålidelig ERP. Målet med et sådant eksperiment er at kausalt link områder i hjernen afsløret med funktionel MRI til ERP komponenter af interesse. Endelig vil vi give et konkret eksempel på en undersøgelse, der vedrører ansigt og krop selektiv ERP systemer med ansigt og krop selektive områder, der er afsløret med fMRI.
Hvad er fordelen ved at knytte EEG-signaler med fMRI aktiveringer? EEG og fMRI er almindeligt anvendt værktøjer til at måle kortikale reaktioner på visuelle input. For eksempel blev kategori-selektivitet i den visuelle vej vurderet for forskellige visuelle objekt kategorier såsom ansigter, kropsdele og skrevne ord, både ved hjælp af ERP udvundet EEG data 8,9 og funktionel MRI 10-12. De signaler, målt ved disse to fælles forskning værktøjer er imidlertid på fundamentalt forskellige. EEG bærer information om neurale elektrisk aktivitet med stor tidsmæssigpræcision, men meget lav rumlig opløsning og kan afspejle en blanding af mange separate underliggende kilder. FMRI giver et indirekte mål for neuronal aktivitet stole på de langsomme hæmodynamiske forandringer under stimulus præsentation og / eller opgave udførelse, men præsenterer denne aktivitet med en højere rumlig opløsning. Etablering af en sammenhæng mellem de to foranstaltninger kan således være af stor interesse, men er begrænset i, at det ikke indebærer en årsagssammenhæng mellem hovedbunden optaget elektrofysiologiske respons og de områder afsløret med funktionel MRI. Selv når målt samtidigt (f.eks 13-15), kan en retningsbestemt årsagssammenhæng mellem EEG og aktivitet i funktionelt definerede kortikale områder, der ikke kan bestemmes. TMS er et værktøj, der kan hjælpe opnå etableringen af en sådan årsagssammenhæng.
En samtidig EEG-TMS undersøgelsen er metodisk udfordrende, hovedsagelig på grund af den høje spænding artefakt introduceret til EEG signal by den magnetiske stimulation (se figur 1, for en gennemgang se Ilmoniemi et al. 16). Denne artefakt består af en forbigående kort levende puls-relaterede forstyrrelser, ofte efterfulgt af en langsommere sekundær (eller rest) artefakt, der kan vare et par hundrede millisekunder efter pulsen er leveret figur 2A, og dermed tvingende fleste ERP komponenter af interesse. Denne sekundære artefakt kan omfatte mekaniske kilder såsom strømme induceret af den magnetiske impuls i ledninger og den langsomme nedbrydning af disse strømme i huden, og fysiologiske kilder såsom muskulær aktivitet i hovedbunden og lydsignal eller somatosensoriske evoked potentials fremkaldt af driften af spolen 17-20. Selvom de mekaniske kilder til interferens sandsynligvis producerer større amplitude artefakter end de fysiologiske, kan disse forskellige artefakter ikke adskilles, og eksistensen af nogen af dem i signalet kan forvirre resultaterne. En mulig sålution er anvendelsen af gentagne TMS pulser før EEG-optagelse ("offline TMS"), i modsætning til samtidige EEG-TMS. Den hæmmende effekt af en sådan protokol om kortikal aktivitet fortsætter i flere minutter (og op til en halv time) efter stimulering, og EEG kan måles i løbet af denne effektive tidsvindue og sammenlignet med baseline, pre-TMS, EEG-data. Gentagne stimulation, er imidlertid per definition mangler den høje tidsopløsning at online TMS kan tilbyde, hvor pulser kan administreres på en præcis timing i forhold til retssagen debut på millisekund. Effekten af gentagne stimulation kan også forplanter via kortikale forbindelser på tværs af et bredere område end ønsket, og derfor reducere markant rumlig opløsning så godt.
At drage fordel af både den rumlige og tidsmæssige opløsning, som TMS kan give, kan en samtidig EEG-TMS kombination anvendes. Dette kræver dog fremgangsmåder til fjernelse af artefaktergenereret af den magnetiske stimulation på EEG-signal. Er blevet foreslået Meget få offline matematiske løsninger til TMS artefakt fjernelse 16,21,22, selvom ingen metode er aftalt, og ingen metode kan være optimal for alle eksperimentelle design. A "klipning"-system, som består af en prøve-og-hold kredsløb, blev også udviklet til at stoppe midlertidigt EEG erhvervelse under TMS puls levering 20. Denne teknik kræver ikke blot specialiseret hardware, men kan ikke helt fjerne den resterende TMS artefakt. I dette papir vil vi beskrive en tilpasning af et EEG-TMS metode udviklet af Thut og kolleger 19, særligt velegnet til ERP studier. Denne teknik muliggør pålidelig udvinding af ERP samtidig fjerne alle de resterende støjkomponenter forårsaget af TMS puls Figur 2.. Vi vil yderligere generel vejledning hen imod en vellykket EEG-TMS forsøgsopstilling.
En anden udfordring i TMS studier rettet in dette metodologiske dokument er at finde den bedste spole position og vinkel for en nøjagtig målretning af det ønskede kortikale område. Vi vil beskrive brugen af et stereotaktisk navigationssystem til coregister motivets hoved med de pre-overtagne funktionel MRI-billeder. Selvom navigationssystemet kan bruges til at lokalisere anatomisk definerede hjernens strukturer, en fMRI-guidet målretning er især nyttigt, da for mange funktioner og eksperimentelle effekter den nøjagtige placering af aktivering kan ikke udledes fra anatomiske markører alene. For sådanne funktionelle områder af interesse (ROI) er definitionen af et område for hver deltager individuelt.
For at illustrere alle de ovennævnte, vil vi give et eksempel på en undersøgelse, vi gennemførte tidligere, hvor EEG blev indspillet samtidig med TMS styret af fMRI aktiveringer 7. I denne undersøgelse blev en dobbelt dissociation mellem face-selektive og krop-selektive ERP systemer: skønt ansigt og krop ERP systemer ærtK omkring de samme latency og elektrodestederne, rettet individuelt definerede ansigt-selektive og krop-selektive områder i den laterale occipital lap det muligt for os at adskille de neurale netværk der ligger bag hver ERP svar. Endelig vil vi forsøge at give mere generel rådgivning til optimering af EEG optagelse under TMS ansøgning.
Protocol
Representative Results
Discussion
At have den unikke evne til momentant forstyrre normal neuronal aktivitet i udvalgte kortikale områder, præcise tidspunkter og med en relativ god rumlig nøjagtighed, TMS gør det muligt at kausalt knytte en stimuleret hjerne område med en adfærdsmæssig eller neurofysiologisk foranstaltning. I dette papir vi beskrevet en fremgangsmåde til måling af EEG under samtidig TMS ansøgning rettet funktionelt definerede kortikale områder, og anvendelse af en analyse, der muliggør en pålidelig måling af ERP svar. Vi ga…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vil gerne takke David Pitcher for hans værdifulde bidrag til denne TMS eksperiment. Denne forskning blev finansieret af et stipendium fra Levie-Edersheim-Gitter Institute for Brain Mapping til BS, en bevilling fra Wolfson Foundation; giver 65/08 og fra 1657 til 1608 fra den israelske Science Foundation og et rejselegat fra British Council Forsker Exchange Program til GY Forsøget blev udført på Wohl Institute for Advanced Imaging, Tel-Aviv Sourasky Medical Center.
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. |
Riferimenti
- 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).
