fMRIのガイド下経頭蓋磁気刺激中に記録された脳波データからの視覚誘発電位を抽出する
Summary
本稿では、機能的磁気共鳴画像法（fMRI）を用いて明らかにした活性化によって案内同時経頭蓋磁気刺激（TMS）中に（EEG）データを収集し、脳波を分析するための方法が記載されている。事象関連電位のTMSアーチファクト除去や抽出のための方法は、パラダイムの設計と実験で説明しただけでなく、配慮されている。
Abstract
経頭蓋磁気刺激（TMS）は皮質領域と認知/神経生理学的効果との間の因果関係を確立するための有効な方法である。具体的には、標的領域の正常な活性を有する過渡的干渉を作成し、電気生理学的信号の変化を測定することによって、我々は刺激された脳領域またはネットワークと我記録電気生理学的信号との間の因果関係を確立することができる。ターゲット脳領域が機能的に前のfMRIスキャンで定義されている場合、TMSは、記録された誘発電位とfMRIのアクティベーションをリンクするために使用することができる。しかし、このような実験を行うことは重要な技術的な磁気パルスによって、EEG信号に導入された高振幅のアーティファクト与え課題、および首尾よく機能的にfMRIので定義されたエリアを対象とする難しさを示している。 TMS、脳波とfMRIを：ここでは、これらの3つの共通のツールを組み合わせるための方法論を説明します。我々は、刺激＆＃をガイドする方法を説明39、所望の標的領域へのSコイル脳波-TMSの組み合わせ、どのように記録されたデータから、信頼性の高いERPを抽出するのに適したERPの研究をどのように設計するか、同時TMS中のEEGを記録する方法を、解剖学的または機能的MRIデータを用いた。我々は、fMRIの誘導TMS顔選択N1とERPのボディ選択N1成分が、線条皮質で明確なニューラルネットワークと関連していることを示すために、脳波と同時に使用された以前に発表された研究からの代表的な結果を提供します。この方法は、TMSと脳波の高時間分解能でのfMRIの高い空間分解能を組み合わせ、したがって、様々な認知過程の神経基盤の総合的な理解を得ることを可能にする。
Introduction
経頭蓋磁気刺激（TMS）は、脳の対象地域における通常の神経活動に瞬間的な干渉を発生させる。この一時的な神経障害を作成し、行動や生理的変化を測定することにより、我々は目標領域と測定された実験的な影響（検討のためにパスクアル·レオンらを参照してください。テイラーら 1,2）の間の因果関係を描くことができます。このような実験的な効果としては、例えば、認知課題や電気生理学的（EEG）活性の変化のパフォーマンス。実際、近年の研究者が直接事象関連電位（ERP）や振動活動パターン（ 例えば 2-7）で皮質領域を関連付ける脳波との組み合わせで、TMSを使用して開始している。 ERPの実験中のfMRI誘導TMS：この方法論の論文では、TMSと脳波を結合するための特定の有用なフレームワークについて説明します。まずは、FMによってあらかじめ定義された領域に、TMSを適用する方法を詳細になりますRI、EEGデータを記録しながら。次に、信頼性の高い、ERPの抽出を可能にする実験計画を説明します。このような実験の目的は、対象とするERPのコンポーネントに機能的MRIで明らかにしたリンク脳領域を因果的にすることです。最後に、我々は、fMRIので明らかにされ、顔や体の選択的領域と顔や体の選択的ERPを関連研究の具体的な例を与える。
fMRIのアクティベーションとEEG信号をリンクするメリットは何ですか？脳波とfMRIのは、視覚入力を皮質の応答を測定するために一般的に使用されるツールです。たとえば、Visual経路におけるカテゴリ選択性は、顔、体の部分、および書かれた言葉は、両方のEEGデータ8,9、および機能的MRI 10月12日から抽出されたERPを用いて、異なる視覚的なオブジェクトカテゴリについて評価した。これらの2の共通の研究ツールで測定された信号は、根本的に異なる性質の、しかし、である。脳波は素晴らしい時間的に神経の電気的活動についての情報を運ぶ精度が、非常に低い空間分解能とは、多数の別個の基礎となる情報源の混合物を反映することができる。 fMRIのは、刺激提示または/およびタスクの実行中に発生する低速な血行動態の変化に依存する神経活動の間接的な尺度を提供していますが、より高い空間分解能で、この活性を示す。 2施策との相関関係を確立することはこのように非常に関心があることができますが、それは、頭皮に記録電気生理学的反応と機能的MRIで明らかにしたエリア間の因果関係を意味するものではないという点で制限されています。 （ 例えば 13〜15）を同時に測定した場合でも、脳波や機能的に定義された皮質領域の活動の間に方向性の因果関係を特定することはできません。 TMSは、そのような因果関係の確立を達成するお手伝いができるツールです。
同時EEG-TMSの研究は主に、EEG信号bに導入された高電圧アーティファクトによる方法論的に困難であるyは磁気刺激（Ilmoniemi ら 16を参照して概説については、 図1を参照）。このアーティファクトは、多くの場合、パルスがこのように関心のあるほとんどのERPコンポーネントを無効にして、 図2（a）に配信された後に数百ミリ秒続くことが遅く、二次（または残留）アーティファクトが続く一過性の短生活パルス関連の障害、から構成されています。この二アーティファクトは、配線や皮膚におけるこれらの電流の低速減少に磁気パルスによって誘導された電流、およびこのような操作によって誘発された頭皮と聴覚や体性感覚誘発電位の上筋活動などの生理的要因などの機械的な情報源を含むことができコイル17〜20。干渉の機械的な要因は、おそらく生理的なものよりも大きな振幅の成果物を生成するが、これらの異なる成果物を分離することができず、信号中のそれらのいずれかの存在は、結果を混乱させることができます。一つの可能なので、同時EEG-TMSとは対照的にlutionは、（「オフラインTMS」）を記録する前の脳波への反復的なTMSパルスの印加である。皮質活動上のそのようなプロトコルの阻害効果は、刺激後（半時間まで）、数分間持続し、EEGは、この効果的な時間窓の間に測定し、ベースライン、プレTMS、EEGデータと比較することができる。反復刺激は、しかし、パルスがミリ秒の分解能での試行開始に正確なタイミング角度で投与することができる場合、オンラインTMSは、提供することができる高い時間分解能を欠く定義である。反復刺激の効果はまた、所望のより広い領域にわたって皮質接続を介して伝播し、したがって、有意並びに空間分解能を減少させることができる。
TMSが提供できる空間および時間分解能の両方を活用するために、同時EEG-TMSの組み合わせを適用することができる。しかしながら、これは、アーチファクトの除去のための方法を必要とするEEG信号に対する磁気刺激によって生成される。全く方法が合意されていないものの、TMSアーチファクト除去のための非常にいくつかのオフライン数学のソリューションは、16,21,22提案されており、誰も方法は、すべての実験計画には最適でないかもしれない。サンプル·ホールド回路からなる「クリッピング」のシステムもまた、瞬間的に、TMSパルス配信20時の脳波の取得を停止するために開発されました。この手法は、特殊なハードウェアを必要としますが、完全に残留TMSアーチファクトを除去することはできませんだけではなく。本論文では、ERPの研究のために特に適しThutと同僚19によって開発された脳波-TMS方法論の適応を説明します。 TMSパルスを図2に起因する全ての残留ノイズ成分を除去しながら、この技術は、ERPの信頼性の抽出を可能にする。我々は、さらに成功した脳波-TMS実験に向けた一般的なガイダンスを提供します。
TMS研究におけるもう1つの課題は、私に対処Nこの方法論論文では目的の皮質領域の正確なターゲティングのための最高のコイル位置と角度を見つけることです。我々は、事前取得機能的MRI画像と、被検者の頭部を定位coregisterするナビゲーションシステムの使用を説明する。ナビゲーションシステムは、解剖学的に定義された脳構造をローカライズするために使用することができるが、多くの機能と効果について実験的活性化の正確な位置は、単独で、解剖学的マーカーから推論することができないため、fMRIの誘導標的化は特に有用である。近隣のような機能的領域（ROI）については、領域の定義は、個別に各参加者のために作られている。
上記のすべてを説明するために、EEGは、fMRIのアクティベー7によって案内TMSと同時に記録された我々が以前に行われた研究の例を提供する。本研究では、二重の解離は、顔選択性と体選択性のERPとの間で行われた。ものの、顔と体のERPエンドウ各ERPの応答の基礎となる神経回路網を解離することができまし横後頭葉に個別に定義されている顔選択や体選択性の領域を対象に、同じレイテンシと電極のサイトを中心にkの。最後に、我々は、TMSの適用中に脳波記録を最適化するための、より一般的なアドバイスを提供しようとします。
Protocol
Representative Results
Discussion
正確な時間の点で、比較的良好な空間精度で、瞬間的に選択した皮質領域における正常な神経活性を破壊するユニークな能力を持つ、TMSは因果的に行動や神経生理学的指標で刺激した脳の領域をリンクすることができます。本論文では、機能的に定義皮質領域をターゲットとし、ERPの応答の信頼性の高い測定を可能に分析を適用すること、同時のTMS適用中の脳波を測定するための方法を記載?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
我々は、このTMS実験への彼の貴重な貢献のためのデビッドピッチャーに感謝したいと思います。この研究は、BS、ウォルフソン財団からの助成金の脳マッピングのためのレビ·Edersheim-ギッター研究所の交わりによって賄われていた。イスラエル科学財団とGYへのブリティッシュ·カウンシルの研究員交流プログラム実験は高度なイメージング、テルアビブSourasky医療センターのためのウォール研究所で行われたから走行付与から65/08および1657年から1608年に付与されます。
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. |
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