Het in kaart brengen van de na-effecten van Theta Burst stimulatie over de menselijke auditieve cortex met Functionele Beeldvorming

Summary

Auditieve verwerking is de basis van spraak en muziek-gerelateerde verwerking. Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is met succes gebruikt voor de cognitieve, sensorische en motorische systemen te bestuderen, maar zelden is toegepast om auditie te doen. Hier onderzochten we TMS gecombineerd met functionele Magnetische Resonantie Imaging aan de functionele organisatie van de auditieve cortex te begrijpen.

Abstract

Auditieve cortex betrekking heeft op de verwerking van geluid, dat aan de basis ligt van spraak of muziek-gerelateerde verwerking ^1. Echter, ondanks aanzienlijke recente vooruitgang, de functionele eigenschappen en lateralisatie van de menselijke auditieve cortex zijn nog lang niet volledig begrepen. Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een niet-invasieve techniek die kan tijdelijk of blijvend corticale prikkelbaarheid moduleren via de toepassing van gelokaliseerde magnetische veld pulsen, en vertegenwoordigt een unieke methode van het verkennen van plasticiteit en connectiviteit. Het is pas onlangs begonnen toe te passen op auditieve corticale functie ² te begrijpen.

Een belangrijk probleem bij het gebruik van TMS is dat de fysiologische gevolgen van de stimulatie moeilijk te bepalen. Hoewel veel studies TMS maken de impliciete aanname dat het gebied waarop het spoel het getroffen gebied, hoeft dit niet het geval, vooral voor complexe cognitieve functies which afhankelijk van interacties in vele gebieden van de hersenen ^3. Een oplossing voor dit probleem is om TMS te combineren met functionele magnetische resonantie imaging (fMRI). Het idee hier is dat fMRI zal een index van veranderingen in hersenactiviteit geassocieerd met TMS. Zo zou fMRI geven een onafhankelijke manier is om de welke gebieden worden beïnvloed door TMS en hoe ze worden gemoduleerd ^4. Bovendien fMRI worden nagegaan of functionele verbinding, die een maat is voor de tijd koppeling tussen gelegen gebieden vertegenwoordigt. Het kan dus nuttig zijn om niet alleen de netto activiteit geïnduceerd door modulatie TMS in bepaalde locaties, maar ook de mate waarin het netwerk eigenschappen worden beïnvloed door TMS, via alle waargenomen veranderingen in functionele connectiviteit meten.

Verschillende benaderingen bestaan ​​om TMS en functionele beeldvorming op basis van de tijdelijke orde van de methoden te combineren. Functionele MRI kan worden toegepast voor, tijdens, na of zowel voor als na TMS. Onlangs, Sommige studies interleaved TMS en fMRI om online in kaart brengen van de functionele veranderingen bij TMS ^{5 tot 7} te bieden. Maar deze online combinatie heeft vele technische problemen, waaronder de statische artefacten als gevolg van de aanwezigheid van de TMS spoel in de scanner kamer of het effect van TMS pulsen op het proces van MR beeldvorming. Maar vooral de luid akoestisch lawaai veroorzaakt door TMS (verhoogd vergeleken met standaard gebruik vanwege de resonantie van de scanner boring) en het verhoogde TMS spoel trillingen (veroorzaakt door de sterke mechanische krachten door het statische magnetische veld van de MR scanner) vormen een cruciaal probleem bij het bestuderen van auditieve verwerking.

Dit is een reden waarom fMRI werd uitgevoerd voor en na TMS in de huidige studie. Vergelijkbare benaderingen zijn gebruikt om de motorische cortex ^8,9, premotorische cortex ^10, primaire somatosensorische cortex ^11,12 en taal-gerelateerde gebieden ¹³ richten, Maar tot nu toe geen gecombineerd TMS-fMRI studie heeft onderzoek gedaan naar de auditieve cortex. Het doel van dit artikel is om details over het protocol en de overwegingen die nodig zijn om succesvol te combineren deze twee neurowetenschappelijke instrumenten om auditieve verwerking te onderzoeken.

Eerder toonden we aan dat repetitieve TMS (rTMS) bij hoge en lage frequenties (resp. 10 Hz en 1 Hz) die boven de auditieve cortex gemoduleerde responstijd (RT) in een melodie discriminatie taak ^2. We toonden ook aan dat de RT modulatie was gecorreleerd met functionele connectiviteit in het auditieve netwerk beoordeeld met behulp van fMRI: hoe hoger de functionele connectiviteit tussen links en rechts auditieve cortex tijdens de taakuitvoering, hoe hoger de faciliterende effect (verlaagd RT) waargenomen met rTMS. Maar deze bevindingen waren voornamelijk correlationeel, zoals fMRI werd uitgevoerd voor rTMS. Hier werd fMRI uitgevoerd vóór en onmiddellijk na TMS direct maatregelen voorzienvan de functionele organisatie van de auditieve cortex, en meer bepaald van de plastic reorganisatie van het auditieve neurale netwerk die zich na de neurale tussenkomst door TMS.

Gecombineerd fMRI en TMS toegepast over de auditieve cortex in staat moet stellen een beter begrip van de hersenen mechanismen van auditieve verwerking, het verstrekken van fysiologische informatie over functionele effecten van TMS. Deze kennis kan nuttig zijn voor vele cognitive neuroscience toepassingen, als voor een optimaal therapeutische toepassingen van TMS, met name auditieve aandoeningen.

Protocol

Het protocol bestaat uit een tweedaagse (niet noodzakelijkerwijs opeenvolgende). De eerste dag bestaat uit een fMRI localizer samengesteld met een anatomische en functionele MRI-scans om voor elke deelnemer de gebieden die moeten worden gericht met TMS. De tweede dag bestaat uit de fMRI sessies pre-en post-TMS waar TMS wordt toegepast in de scanner met behulp van een speciale MR compatibel TMS spoel (Magstim Ltd, Wales, UK) en een frameloze stereotactische systeem (Brainsight). Deze wordt gebruikt om in real-time de TMS…

Discussion

We beschrijven een protocol combineert offline TMS en fMRI om de functionele organisatie van de auditieve cortex te onderzoeken. In de volgende paragrafen bespreken we de methodologische factoren te overwegen bij het uitvoeren van een dergelijke aanpak.

Acquisitie en het tijdschema voor post-TMS fMRI sessie

Volgorde van scans acquisitie en tegenwicht van pre-en post-TMS fMRI sessies

Het is cruciaal om een ​​MR anatomische sc…

Materials

Material Name	Type	Company
Transcranial magnetic stimulation	Magstim super Rapid2 stimulator, Rapid-2 Plus One Module	Magstim Ltd., Wales, UK
Coil for magnetic stimulation	MRI-compatible 70 mm figure-of-eight-coil	Magstim Ltd., Wales, UK
Magnetic resonance imaging	3-T Siemens Trio scanner, 32-channel Head Coil	Siemens, Inc., Germany
Frameless Stereotaxy	Brainsight	Rogue Research Inc., Montreal, Canada
Optical measurement system	Polaris Spectra	Northern Digital Inc, Ontario, Canada
Multi-jointed arm for coil holder	Standard	Hybex Innovations Inc., Anjou, Canada
MRI-Compatible Insert Earphones	Sensimetrics, Model S14	Sensimetrics Corporation, MA, USA