Extraheren Visual evoked potentials van EEG-gegevens opgenomen tijdens fMRI-geleide transcraniële magnetische stimulatie
Summary
Dit artikel beschrijft een methode voor het verzamelen en analyseren van elektro-encefalografie (EEG) gegevens bij gelijktijdige transcraniële magnetische stimulatie (TMS) geleid door activeringen onthuld met functionele magnetische resonantie imaging (fMRI). Een methode voor het TMS artefact verwijdering en extractie van event related potentials wordt beschreven, evenals overwegingen in paradigma design en experimentele opstelling.
Abstract
Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een effectieve methode voor het vaststellen van een causaal verband tussen een corticale gebied en cognitieve / neurofysiologische effecten. In het bijzonder, door het creëren van een tijdelijke verstoring van de normale activiteit van een doelgebied en het meten van veranderingen in een elektrofysiologische signaal, kunnen we een causaal verband tussen de gestimuleerde hersengebied of netwerk en de elektrofysiologische signaal dat we opnemen vast te stellen. Als doel hersengebieden functioneel gedefinieerd indien fMRI scan, TMS kan worden gebruikt om de fMRI activaties koppelen cochlea opgenomen. Echter, het uitvoeren van dergelijke experimenten presenteert belangrijke technische uitdagingen gezien de hoge amplitude artefacten geïntroduceerd in het EEG-signaal door de magnetische puls, en de moeilijkheid om met succes richten op gebieden die functioneel zijn bepaald door fMRI. Hier beschrijven we een methode voor het combineren van deze drie gemeenschappelijke instrumenten: TMS, EEG en fMRI. We leggen uit hoe u de stimulator & # begeleiden39; s spoel naar het gewenste doelgebied met behulp van anatomische of functionele MRI data, hoe EEG opnemen tijdens gelijktijdige TMS, hoe je een ERP studie geschikt voor EEG-TMS combinatie en hoe betrouwbaar ERP uittreksel uit de geregistreerde gegevens te ontwerpen. Wij representatieve resultaten bieden tegen een eerder gepubliceerde studie, waarin fMRI-geleide TMS gelijktijdig gebruikt met EEG aantonen dat het gezicht-selectieve N1 en body-selectieve N1 component van de ERP geassocieerd met verschillende neurale netwerken extrastriate cortex. Deze methode stelt ons in staat om de hoge ruimtelijke resolutie van fMRI te combineren met de hoge temporele resolutie van TMS en EEG en dus het verkrijgen van een beter begrip van de neurale basis van verschillende cognitieve processen.
Introduction
Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) genereert kortstondige storing in de normale neurale activiteit in de beoogde gebieden van de hersenen. Door het creëren van deze vergankelijke neurale interferentie en het meten van een gedrags-of fysiologische verandering, kunnen we een causaal verband tussen het doelgebied en de gemeten experimentele effect te tekenen (voor een overzicht zie Pascual-Leone et al.. En Taylor et al.. 1,2). Een dergelijk experimenteel effect kan bijvoorbeeld een uitvoering op een cognitieve taak of een verandering van elektrofysiologische activiteit (EEG). Inderdaad, in de afgelopen jaren hebben de onderzoekers begonnen met het gebruik van TMS in combinatie met EEG om rechtstreeks verband corticale gebieden met event-related potentials (ERP) of oscillerende activiteit patronen (bijvoorbeeld 2-7). In deze methodologische nota zullen we een bijzonder en nuttig kader voor het combineren van TMS en EEG beschrijven: fMRI-geleide TMS tijdens een ERP-experiment. Ten eerste, zullen we detail hoe TMS van toepassing op gebieden vooraf door fMRI, tijdens het opnemen van EEG-gegevens. Wij zullen dan beschrijven een experimenteel ontwerp dat winning van betrouwbare ERP maakt. Het doel van een dergelijk experiment is verbinding hersenengebieden openbaarde met functionele MRI ERP componenten plaats causaal. Tot slot zullen we een specifiek voorbeeld van een studie met betrekking gezicht en lichaam selectieve ERPs met gezicht en lichaam selectieve gebieden die worden onthuld met fMRI geven.
Wat is het voordeel van het koppelen van EEG-signalen met fMRI activaties? EEG en fMRI worden vaak gebruikte tools om corticale reacties op visuele input te meten. Bijvoorbeeld, categorie-selectiviteit in de visuele banen werd beoordeeld voor verschillende visuele object rubrieken zoals gezichten, lichaamsdelen, en geschreven woorden, zowel door middel van ERP gewonnen uit gegevens van het EEG 8,9 en functionele MRI 10-12. De gemeten signalen van deze twee gemeenschappelijke onderzoeksinstrumenten zijn echter van fundamenteel verschillende aard. EEG draagt informatie over neurale elektrische activiteit met grote temporeleprecisie, maar zeer lage ruimtelijke resolutie en kan een mengsel van vele afzonderlijke onderliggende reflecteert. De fMRI een indirecte maat voor neuronale activiteit vertrouwen op de trage hemodynamische veranderingen tijdens stimulus en / of uitvoering van de taak, maar presenteert deze activiteit met een hogere ruimtelijke resolutie. Oprichting van een correlatie tussen de twee maatregelen kunnen dus van groot belang, maar is beperkt in die zin dat geen oorzakelijk verband tussen de hoofdhuid opgenomen elektrofysiologische respons en de geopenbaarde met functionele MRI gebieden impliceert. Zelfs als tegelijkertijd gemeten (bijv. 13-15), kan een gerichte oorzakelijk verband tussen EEG en activiteit in functioneel gedefinieerd corticale gebieden niet worden bepaald. TMS is een instrument dat kan helpen bij het bereiken van de oprichting van een dergelijk causaal verband.
Een gelijktijdige EEG-TMS studie is methodologisch uitdagende, vooral te wijten aan de hoge spanning artefact geïntroduceerd om de EEG-signaal by de magnetische stimulatie (zie figuur 1, voor een overzicht zie Ilmoniemi et al.. 16). Dit artefact bestaat uit een voorbijgaande kortlevende-puls-gerelateerde stoornis, vaak gevolgd door een langzamere tweede (of resten) artefact dat enkele honderden milliseconden kan duren na de puls wordt afgegeven Figuur 2A, dus tegen de meeste ERP componenten plaats. Deze secundaire artefact kunnen mechanische bronnen zoals geïnduceerd door de magnetische puls in de bedrading en de langzame verval van deze stromen in de huid en fysiologische bronnen zoals spieractiviteit in de hoofdhuid en auditieve of somatosensorische opgewekte potentialen opgewekt door de werking van de spoel 17-20. Hoewel de mechanische bronnen van interferentie produceren waarschijnlijk grotere amplitude artefacten dan de fysiologische modellen, kunnen deze verschillende artefacten niet worden gescheiden, en het bestaan van een van hen in het signaal kunnen de resultaten verwarren. Een mogelijk zodatlutie is de toepassing van herhaalde TMS pulsen voor EEG-registratie ("offline TMS"), in tegenstelling tot simultane EEG-TMS. Het remmende effect van een dergelijk protocol op corticale activiteit aanhoudt gedurende enkele minuten (en tot een half uur) na de stimulatie, en EEG kan worden gemeten tijdens deze effectieve tijdvenster en vergeleken met de uitgangswaarde, pre-TMS, EEG-gegevens. Herhaalde stimulatie is echter per definitie zonder de hoge tijdsresolutie die online TMS aanbiedt, waarbij pulsen worden toegediend op een precieze timing ten opzichte proces ontstaan bij de milliseconde resolutie. Het effect van repetitieve stimulatie kan ook verspreiden zich over de corticale verbindingen over een groter gebied dan gewenst en dus een aanzienlijke vermindering van de ruimtelijke resolutie ook.
Om te profiteren van zowel de ruimtelijke en temporele resolutie die TMS kan vrijmaken, kan een gelijktijdige EEG-TMS combinatie worden toegepast. Dit vereist echter werkwijzen voor het verwijderen van artefactengegenereerd door de magnetische stimulatie op het EEG-signaal. Zeer weinig offline wiskundige oplossingen voor TMS artefact verwijdering zijn voorgesteld 16,21,22, hoewel er geen methode is overeengekomen, en niemand methode kan optimaal zijn voor alle experimentele ontwerpen. Een "clipping"-systeem, bestaande uit een sample-and-hold circuit, werd ook ontwikkeld om tijdelijk stoppen EEG acquisitie tijdens TMS pulsafgifte 20. Deze techniek vereist niet alleen gespecialiseerde hardware, maar kan niet de resterende TMS artefact volledig te verwijderen. In dit artikel zullen we een aanpassing van een EEG-TMS methodologie ontwikkeld door Thut en collega's 19, met name geschikt voor ERP studies beschrijven. Deze techniek maakt het mogelijk betrouwbare extractie van ERP, terwijl het elimineren van alle resterende ruiscomponenten veroorzaakt door de TMS puls Figuur 2. We zullen verder bieden een algemene leidraad naar een succesvolle EEG-TMS experimentele opstelling.
Een andere uitdaging in TMS studies gericht in deze methodologische nota is het vinden van de beste spoel positie en hoek voor een nauwkeurige afstemming van de gewenste corticale gebied. We zullen het gebruik van een stereotactische navigatiesysteem het hoofd van de proefpersoon coregister met de vooraf verkregen functionele MRI-beelden beschrijven. Hoewel het navigatiesysteem kan worden gebruikt om anatomisch gedefinieerde hersenstructuren lokaliseren, een fMRI-geleide targeting is vooral nuttig omdat voor vele functies en experimentele effecten de precieze locatie van activering kan worden afgeleid uit anatomische markeringen alleen. Voor dergelijke functionele gebieden van belang (ROI), is de definitie van een voor elke individuele deelnemer.
Om alle bovenstaande illustratie geven we een voorbeeld van een studie we eerder uitgevoerd, waarbij EEG werd geregistreerd als TMS geleid door fMRI activaties 7 voorzien. In deze studie werd een dubbele dissociatie tussen face-selectieve en body-selectieve ERP: hoewel gezicht en lichaam ERP erwtk rond dezelfde latency en elektrodeplaatsen, gericht op individueel bepaald gezicht-selectieve en body-selectieve gebieden in de laterale achterhoofdskwab ons in staat om de neurale netwerken die ten grondslag liggen aan elk ERP reactie distantiëren. Tot slot zullen we proberen om meer algemene advies voor het optimaliseren van EEG-registratie tijdens TMS applicatie geven.
Protocol
Representative Results
Discussion
Met de unieke mogelijkheid om tijdelijk verstoren de normale neuronale activiteit in geselecteerde corticale gebieden, in precieze tijdstippen en met een relatief goede ruimtelijke nauwkeurigheid, TMS maakt het mogelijk om een causaal link een gestimuleerde hersengebied met een gedrags-of een neurofysiologische maatregel. In dit artikel beschrijven we een methode voor het meten van EEG tijdens gelijktijdige TMS applicatie, gericht op functioneel gedefinieerd corticale gebieden, en het toepassen van een analyse die…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij willen David Pitcher bedanken voor zijn waardevolle bijdrage aan dit TMS experiment. Dit onderzoek werd gefinancierd door een beurs van de Levie-Edersheim-Gitter Institute for Brain Mapping BS, een subsidie van de Wolfson Foundation; verleent 65/08 en 1657-1608 van de Israëlische Science Foundation en een reisbeurs van de Onderzoeker British Council Exchange Programme aan GY Het experiment werd uitgevoerd bij de 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).
