Summary
Dieses Papier beschreibt ein Verfahren zur Erfassung und Auswertung der Elektroenzephalographie (EEG) während der gleichzeitigen Daten transkranielle Magnetstimulation (TMS) durch Aktivierungen mit der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI) zeigten geführt. Verfahren zum Entfernen von Artefakten TMS und Extraktion von evozierten Potenziale wird ebenso beschrieben wie Überlegungen Paradigmen Design und Versuchsaufbau.
Abstract
Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine effektive Methode für einen kausalen Zusammenhang zwischen einer kortikalen Bereich und kognitive / neurophysiologische Effekte. Insbesondere durch die Schaffung einer vorübergehenden Störung der normalen Aktivität eines Zielregion und die Messung von Veränderungen in einer elektrophysiologischen Signals, können wir einen kausalen Zusammenhang zwischen der stimulierten Gehirnbereich oder Netzwerk und der elektrophysiologischen Signal, dass wir aufzeichnen zu etablieren. Wenn Zielhirnareale funktionell mit früheren fMRT-Scan definiert, könnte TMS verwendet, um die fMRI-Aktivierungen mit aufgezeichnet evozierte Potentiale verbinden. Und die Durchführung von Experimenten zeigt jedoch erhebliche technische Herausforderung angesichts der durch den magnetischen Impuls in dem EEG-Signal mit hoher Amplitude Artefakte eingeführt, und die Schwierigkeit, erfolgreiche Zielbereiche, die funktionell durch fMRI definiert wurden. Hier beschreiben wir eine Methodik für die Kombination dieser drei gemeinsame Instrumente: TMS, EEG, fMRT und. Wir erklären, wie man den Stimulator & # führen39, s Spule auf den gewünschten Zielbereich mit anatomischen oder funktionellen MRT-Daten, wie EEG während der gleichzeitigen TMS aufzeichnen, wie man eine ERP-Studie für EEG-TMS-Kombination und wie man zuverlässige ERP aus den aufgezeichneten Daten zu extrahieren, zu entwerfen. Wir werden repräsentative Ergebnisse liefern aus einer zuvor veröffentlichten Studie, in der fMRT-TMS geführt wurde gleichzeitig mit EEG verwendet, um zu zeigen, dass das Gesicht selektive N1 und der Körper-selektive N1-Komponente des ERP mit unterschiedlichen neuronalen Netzwerken in extrastriären Kortex. Diese Methode ermöglicht es uns, die hohe räumliche Auflösung der fMRT mit der hohen zeitlichen Auflösung von TMS und EEG zu kombinieren und erhalten daher ein umfassendes Verständnis der neuronalen Grundlagen der verschiedenen kognitiven Prozessen.
Introduction
Transkranielle Magnetstimulation (TMS) erzeugt momentane Störung der normalen neuralen Aktivität in Zielbereichen des Gehirns. Durch die Schaffung dieser Übergangs neuronalen Störungen und Messen einer Verhaltens-oder physiologische Veränderung, können wir einen Kausalzusammenhang zwischen dem Zielgebiet und der gemessenen experimentellen Effekt zu ziehen (für eine Übersicht siehe Pascual-Leone et al. Und Taylor et al. 1,2). Solche experimentellen Effekt kann z. B. eine Leistung auf einer kognitiven Aufgabe oder eine Änderung der elektrophysiologischen (EEG)-Aktivität. In der Tat, in den letzten Jahren haben Forscher mit TMS in Kombination mit EEG, direkt mit ereigniskorrelierten Potenziale (ERP) oder Schwingungsaktivitätsmuster (z. B. 2-7) beziehen kortikalen Arealen gestartet. FMRI-geführte TMS während einer ERP-Experiment: In dieser methodischen Papier werden wir einen besonderen und sinnvollen Rahmen für die Kombination von TMS und EEG zu beschreiben. Zuerst werden wir ausführlich, wie TMS, um Bereiche von fM vordefiniert geltenRI, während der Aufnahme EEG-Daten. Wir werden dann beschreiben ein experimentelles Design, das zuverlässige Extraktion von ERP ermöglicht. Das Ziel eines solchen Experiments ist, Link Hirnregionen mit funktioneller MRT zu ERP-Komponenten von Interesse zeigte kausal. Schließlich haben wir ein konkretes Beispiel einer Studie über Gesicht und Körper selektive ERPs mit Gesicht und Körper selektiven Bereichen, die mit fMRI zeigte sich geben.
Was ist der Vorteil der Verknüpfung von EEG-Signalen mit fMRI Aktivierungen? EEG-und fMRI-Tools werden häufig verwendet, um Antworten auf die kortikalen visuellen Input zu messen. So wurde beispielsweise Kategorie-Selektivität bei der Sehbahn für unterschiedliche visuelle Objektkategorien wie Gesichter, Körperteile und geschriebene Wörter sowohl mittels ERP von EEG-Daten 8,9 und funktionelle MRI 10-12 extrahiert beurteilt. Die von diesen beiden gemeinsamen Forschungswerkzeuge Messsignale sind jedoch grundsätzlich anders Natur. EEG trägt Informationen über neuronale elektrische Aktivität mit großer zeitlicherPräzision, aber sehr geringe räumliche Auflösung und kann eine Mischung aus vielen separaten zugrunde liegenden Quellen zu reflektieren. Die fMRT bietet eine indirekte Messung der neuronalen Aktivität sich auf die langsame hämodynamischen Veränderungen während der Reizdarbietung und / oder Aufgabenausführung auftreten, sondern präsentiert diese Aktivität mit einer höheren räumlichen Auflösung. Aufbau einer Korrelation zwischen den beiden Maßnahmen kann somit von großem Interesse sein, ist aber begrenzt, dass es einen ursächlichen Zusammenhang zwischen der Kopfhaut aufgezeichnet elektrophysiologischen Reaktion und die Bereiche mit funktionellen MRT zeigte nicht,. Selbst wenn gleichzeitig gemessen (z. B. 13-15), kann ein Richtungs kausale Beziehung zwischen EEG-Aktivität in funktionell definierten kortikalen Bereichen, die nicht bestimmt werden. TMS ist ein Tool, das helfen kann die Erreichung der Einrichtung eines solchen kausalen Zusammenhang.
Ein gleichzeitiger EEG-TMS-Studie ist methodisch anspruchsvoll, vor allem aufgrund der EEG-Signal b eingeführt Hochspannungs Artefakty die Magnetstimulation (siehe Abbildung 1 für eine Übersicht siehe Ilmoniemi et al. 16). Dieses Artefakt besteht aus einer vorübergehenden kurzen Lebensimpuls bedingte Störung, die oft von einem langsameren Sekundär (oder Rest-) Artefakt, das ein paar hundert Millisekunden dauern kann, nachdem der Impuls 2A geliefert, so überschreiben die meisten ERP-Komponenten Interesse verfolgt. Diese sekundäre Artefakt können mechanische Quellen wie Ströme durch die Magnetimpuls in der Verdrahtung und dem langsamen Zerfall dieser Ströme in der Haut induziert und physiologischen Quellen wie Muskelaktivität über die Kopfhaut und auditive oder somatosensorischen evozierten Potentiale durch den Betrieb ausgelöst umfassen die Spule 17-20. Obwohl die mechanischen Störquellen produzieren wahrscheinlich größere Amplitude Artefakte als die physiologischen diejenigen, können diese verschiedenen Artefakte nicht getrennt werden, und die Existenz einer von ihnen in der Signal können die Ergebnisse zu verwechseln. Eine mögliche soLösung ist die Anwendung von TMS wiederholende Impulse vor der EEG-Aufzeichnung ("offline TMS"), im Gegensatz zur gleichzeitigen EEG-TMS. Die inhibitorische Wirkung eines solchen Protokolls auf kortikale Aktivität bestehen bleibt für mehrere Minuten (bis zu einer halben Stunde) nach der Stimulation und EEG während dieser effektiven Zeitfensters gemessen und verglichen mit der Grundlinie, vor der TMS, EEG-Daten. Repetitive Stimulation, jedoch ist per Definition nicht über die hohe zeitliche Auflösung, die Online-TMS bieten kann, wo Impulse können in einem präzisen Timing in Bezug auf Testbeginn an der Millisekundenauflösung verabreicht werden. Die Wirkung von wiederholten Stimulation kann auch über kortikalen Verbindungen über eine größere Fläche als gewünscht zu propagieren und damit die räumliche Auflösung deutlich reduzieren als auch.
Um die Vorteile von sowohl der räumlichen und zeitlichen Auflösung, die TMS unterbieten zu nehmen, kann ein gleichzeitiger EEG-TMS Kombination angewendet werden. Dies erfordert jedoch, Verfahren zur Entfernung von Artefaktendurch die magnetische Stimulation auf das EEG-Signal erzeugt. Sehr wenige offline mathematische Lösungen für TMS Artefaktentfernung vorgeschlagen worden, 16,21,22, obwohl kein Verfahren vereinbart, und niemand Verfahren kann für alle experimentellen Designs optimal. Ein "Clipping"-System, bestehend aus einer Sample-and-Hold-Schaltung, wurde ebenfalls entwickelt, um EEG Erfassung während TMS Impulsabgabe 20 kurzzeitig unterbrochen. Diese Technik erfordert nicht nur spezielle Hardware, kann jedoch nicht vollständig das restliche TMS Artefakt zu entfernen. In diesem Papier werden wir eine Anpassung der EEG-TMS-Methodik von Thut und Kollegen 19, besonders geeignet für ERP-Studien entwickelt zu beschreiben. Diese Technik ermöglicht die zuverlässige Extraktion von ERP, während die Beseitigung aller Restrauschen Komponenten von der TMS-Impuls Abbildung 2 verursacht. Wir werden allgemeine Hinweise für eine erfolgreiche EEG-TMS Versuchsaufbau.
Eine weitere Herausforderung im TMS-Studien angesprochen in dieser methodische Papier ist das Finden der besten Spule Position und Winkel für eine genaue Ausrichtung der gewünschten kortikalen Bereich. Wir werden die Verwendung eines stereotaktischen Navigationssystem, um den Kopf des Patienten mit den zuvor erfassten funktionellen MRT-Bilder coregister zu beschreiben. Obwohl das Navigationssystem verwendet werden, um anatomisch definierten Gehirnstrukturen zu lokalisieren, ist ein fMRI geführte Ausrichtung besonders nützlich, da für viele Funktionen und experimentelle Effekte der genaue Ort der Aktivierung nicht von anatomische Marker allein abgeleitet werden. Für solche funktionellen Regionen von Interesse (ROI) wird die Definition eines Bereichs für jeden Teilnehmer individuell gefertigt.
Um alle oben zeigen, werden wir ein Beispiel einer früher durchgeführten Studie haben wir, bei der EEG wurde gleichzeitig mit TMS durch fMRI Aktivierungen 7 geführt aufgenommen ist. In dieser Studie wurde eine doppelte Dissoziation zwischen Gesicht und Körper-selektive selektive ERPs gemacht: Obwohl Gesicht und Körper ERPs Erbsek um die gleichen Latenzzeit und Elektrodenstellen, Targeting individuell definierten Gesicht-und Körper-selektive ausgewählte Bereiche in der seitlichen Hinterhauptslappen konnten wir die neuronalen Netze jeweils zugrunde liegenden ERP-Reaktion zu distanzieren. Schließlich werden wir versuchen, mehr allgemeine Beratung für die Optimierung der EEG-Aufzeichnung während der TMS-Anwendung zu geben.
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Protocol
Der Versuch wird in zwei getrennten Sitzungen durchgeführt. Während der ersten Sitzung eine funktionelle MRI-Experiment (z. B. ein Funktions Localizer) aus, um die gewünschten Zielgebiete TMS auf individueller Basis zu definieren Thema durchgeführt. Die fMRI-Ergebnisse werden dann in einem stereotaktischen Navigationssystem für eine genaue Ziel TMS zugeführt. Die zweite Sitzung ist nach der Analyse der fMRI-Daten, während der EEG wird gleichzeitig mit TMS aufgezeichnet statt. Das hier beschriebene Protokoll wurde von der Ethikkommission der Tel-Aviv Sourasky Medical Center genehmigt.
In dem Beispiel in diesem Dokument angegeben, wurden die Daten mit MATLAB Version 7.7 (R2008b) analysiert. Software Das Statistische Parametric Mapping (SPM 5) für MATLAB und Marsbar Toolbox für SPM 23 wurden für die fMRI-Datenverarbeitung verwendet.
1. FMRI Session und fMRI Data Analysis
- Führen Sie einen funktionellen MRT Aufgabe mit einem Echo-Planar-Imaging (EPI) SequenzierungE, um die gewünschte Aktivierung von Foci mit TMS gezielt bestimmen. Für eine bessere Trennung zwischen benachbarten Bereichen, wie dem OFA und EBA in dem folgenden Beispiel wird hochauflösende Abtastung empfohlen. Voxel von 3 mm 3 oder kleiner, mit einer MRT-Kopf-Spule von 8 Kanälen oder mehr erhalten, sind ausreichend für die Abgrenzung von benachbarten Regionen.
- Führen Sie einen T1-gewichteten Struktur Scan-to-neuroanatomischen Daten zu erhalten. Stellen Sie sicher, dass das Gesicht des Teilnehmers ist vollständig in das Blickfeld dieser Prüfung einbezogen, da externe Marker auf das Bild (zB die Nasenspitze) wird später verwendet, um den Kopf des Subjekts mit seiner Scan coregister werden.
- Nach der Datensammlung, verwenden Sie die Marsbar Toolbox für SPM, um die gewünschten Hirnregionen von Interesse zu definieren, basierend auf Kontraste zwischen den Versuchsbedingungen. Verwenden Sie die Gegensätze gegen> Objekte, um den Hinterhauptgesichtsbereich (OFA) zu definieren, und Einrichtungen> Objekte, um den Extrastirate Body Area (EBA) zu definieren. Um weiter sicherzustellen, than die beiden kortikalen Ziele sind funktionell unterschiedliche, Verwendung "Konjunktion" (in Marsbar), die von jedem ROI-Maske keine Voxel Reaktion auf der anderen Versuchsbedingung (schließen face-Voxel von der EBA und Körper-Voxel von der OFA).
- Corregister die strukturellen T1 Bilder mit den funktionellen Scans, mit SPM.
- Kopieren Sie die Dateien des Strukturscan, sowie die jeweiligen funktionalen Gegensatz Dateien auf einem tragbaren Laufwerk, um an das Navigationssystem zu laden.
2. Vorbereiten einer Paradigm für die EEG-TMS-Experiment, mit denen ERP-Extraktion
Im folgenden Abschnitt wird ein Verfahren für das Sammeln von Daten während der EEG-TMS-Anwendung in einer Weise, die Extraktion der zuverlässige und reproduzierbare ERPs 19 erlaubt. Der Vorteil dieser Technik ist, dass sie leicht verarbeitet die Sekundär, langlebig, TMS Artefakt und robust genug ist, damit auch die Wiederherstellung der Daten auf Elektroden direkt unter dem TMS CÖl, wo das Artefakt ist von höchster Spannung und längste Dauer.
- Organisation des Paradigmas
- Führen Sie die verschiedenen TMS Bedingungen (die verschiedenen Zielgehirnbereichen, sowie eine nicht-TMS-Bedingung) in getrennten Blöcken.
- Innerhalb jedes Blocks stellen die Teilnehmer mit allen Reizbedingungen (z. B. Flächen, Gegenständen, Szenen und dergleichen) willkürlich in einer ereignisbezogenen Design.
- Für eine bessere Qualität von ERP-und TMS-Rausch-Vorlage (unten) stellen Sie sicher, mindestens 50 Versuchen pro Bedingung haben.
- Stellen Sie das Timing der Impuls TMS / Impulse auf die gewünschte Latenzbild nach Beginn. Dies wird über das Schreiben an einen parallelen Port, von dem ein Kabel geht in den TMS-Stimulator durchgeführt. Diese Funktion ist in den meisten Software zur Verfügung, für psychologische Experimente, wie Psychtoolbox (Version 2 oder 3) für MATLAB 24 oder E-Prime (siehe Materialien Tabelle). Jitter der Interstimulusintervall (ISI) an Reiz (und Puls) Vorhersagbarkeit (reduzierenz. B. fügen Sie ein Zufallswert zwischen 0 und 500 ms bei jedem ISI).
- Bereiten Sie einen zusätzlichen leeren Bildschirm Anlage:
- Studien herzustellen, während der TMS mit der gleichen Intensität angewendet werden, jedoch ohne Reizdarbietung auf dem Bildschirm. Diese leeren Bildschirm-TMS-Studien wird serviert, ein TMS-Artefakt-Vorlage in der Abwesenheit von visuellen Stimulation zu berechnen.
- Die Anzahl der Wiederholungen der Leerversuche identisch mit der Anzahl der Wiederholungen von einem der experimentellen Bedingungen innerhalb des Blocks sein.
- Für eine genaue Darstellung der Form des TMS Rest Artefakt, zufällig die leeren Studien über den gesamten Block anstatt präsentiert sie alle am Anfang oder am Ende.
3. Einrichten des EEG und der Neuronavigation auf System, und Durchführung des Experiments
TMS genaue Ausrichtung der individuell festgelegten ROIs unter Verwendung eines stereotaktischen Navi möglichtionssystem, einer Infrarotkamera besteht, auf der Teilnehmer Kopf, und einer spezialisierten Software brachte Infrarot-Sensoren.
- Screen-Teilnehmer auf Basis von TMS Sicherheitskriterien. Ausschließen von der Teilnahme Themen mit einer Selbst-oder Familiengeschichte von Epilepsie, Patienten mit anderen neurologischen Erkrankungen oder mit häufigen Migräne, und Themen von psychoaktiven Drogen. Obwohl in der Regel nicht für geschirmte können Patienten mit Verdacht auf vegetative Störungen wie vasovagale Synkopen (meist als eine Tendenz zu leicht ohnmächtig manifestiert) auch ausgeschlossen werden. Weisen Sie die Teilnehmer, um alkoholische Getränke zu vermeiden, vor dem Start der Abend, und koffeinhaltige Getränke mindestens 2 Stunden vor dem Experiment. Weitere Hinweise und Diskussion von Sicherheits siehe Rossi et al 25 und die Magstim Sicherheitsüberprüfung ( http://joedevlin.psychol.ucl.ac.uk/tms/docs/magstim_safety.pdf ).
- Bereiten ter Neurosystem:
- Bevor die Sitzung beginnt, füttern die Struktur Scan-Dateien in die Software des Navigationssystems.
- Überlagern der funktionellen MRT Ergebnisse (die Gegensätze) auf den Struktur Bilder.
- Mit der Neuronavigation Software, markieren Sie die gewünschten Ziele auf die Bilder, als auch die externen anatomischen Markern, die für die Koregistrierung dienen wird: Die Nasenspitze, der tiefste Teil des Nasenstegs oft als Nasenwurzel bezeichnet und die von jedem Tragus Ohr.
- Montieren Sie die EEG-Kappe auf dem Kopf des Teilnehmers und die Elektroden:
- Versuchen Sie, Elektrodenimpedanz nicht höher als 5 kOhm zu halten.
- Um TMS bedingten Erwärmung der Elektroden zu vermeiden, verwenden Sie so wenig wie möglich Gel. Um gute Impedanz mit wenig Menge des Gels erreichen eine gründliche Vorbereitung der Haut. Wahlweise bitten die Teilnehmer, ihre Haare, bevor er nach dem Experiment zu waschen.
- Stellen Sie sicher, dass die Elektrodendrähte nicht kreuzen each und andere weg vom Standort der Spule ausgerichtet. Vermeiden Sie Schleifen in den Drähten.
- Verwenden Sie eine hohe Abtastrate für eine bessere Darstellung der Lärm Artefakt. Es wird empfohlen, 1 kHz oder mehr zu verwenden, da die meisten früheren Untersuchungen wurden unter Verwendung dieses Verfahrens durchgeführt 7,26-28.
- Platzieren der Referenz-und Masse-Elektroden so weit von der Spule möglich. In diesem Beispiel wurden Bereiche im visuellen Kortex mit einer Nase und einem Referenz Fz Masse 7 ausgerichtet. Für weitere Beispiele siehe 3,4,27,29,30. Beachten Sie, dass die Daten offline zu einem neuen Referenz nach Bedarf neu referenziert werden, wie das gemeinsame Durchschnitt.
Hinweis: Für einen Überblick über die Optimierung von TMS-EEG-Setup finden Veniero et al 31.
- Coregister Kopf der Person mit dem Scan, wie folgt:
- Montieren Sie die Infrarot-Detektoren auf dem Kopf des Teilnehmers.
- Coregister Kopf Lage mit dem Navigationssystem Verwendung der vordefinierten Marker (Spitzeder Nase, usw. Siehe Abb. 3). Es wird empfohlen, die Koregistrierung zwischen den Blöcken zu wiederholen, um genaue Schraubenplatzierung auf allen Stufen zu gewährleisten.
- Suchen Sie die Zielgebiete:
- Haben das Thema mit dem Kinn auf eine Kinnstütze im gewünschten Abstand vom Bildschirm sitzt.
- Achten Sie darauf, die Teilnehmer sind komfortabel in ihrem Stuhl, als sie gebeten werden, während die Versuchsblöcke (wichtig für eine genaue Lärm-template-Messung) von Bewegungen zu unterlassen.
- Wählen Sie ein Ziel aus der TMS-Navigationssystem Abbildung 3.
- Mit dem Zeiger-Werkzeug (siehe Materialien Tabelle), lassen Sie das Navigationssystem den Benutzer zu führen, um die optimale Lage Spule und markieren Sie es mit einem kleinen Aufkleber auf der Elektrodenkappe. Es ist wichtig, um den Zeiger senkrecht auf den Kopf zu halten. Wiederholen Sie diese Stufe vor jedem Block. Beachten Sie, dass es nicht empfehlenswert ist, um Online-Navigation in den Block verwenden (die Navigation in der Spulesich selbst, während er da jede Spule Bewegung halten) sollte für eine beste Messung der TMS-Artefakt Vorlage vermieden werden. Es wurde festgestellt, dass die Vorgabe und die Kennzeichnung der TMS Lage ist der optimale Weg, um stabile Anregung zu erreichen.
- Führungs genaue Zentrum der Spule an den Marker, während es durch einen Halter gehalten. Stellen Sie sicher, dass es tangential zu dem Kopf ist.
- Stellen Sie die TMS Intensität auf den gewünschten Wert. Verwalten Sie ein Testimpuls für die Zulassung des Teilnehmers.
- Führen Sie die Versuchsblock.
- No-TMS Bedingung: Wenn ein Fachschein TMS-Spule ist nicht verfügbar, legen Sie die TMS-Spule neben dem Kopf des Patienten und kippen es in 90 °. Führen Sie den Block wie üblich, einschließlich der Blindversuchen.
Der Leser kann auch auf die Arbeit von JoVE Video Andon und Zatorre 32 für weitere Demonstration des Navigationssystems.
4. Analyse der EEG-Daten und ERP-Computing
- Entfernen Sie die sofortige Impuls ArtifHandlung wie folgt:
- Wenn ein Clipping-Gerät nicht verfügbar ist (siehe oben), wäre der erste Schritt in der EEG-Datenverarbeitung sein, von den Daten ausgeschnitten die sofortige TMS Impuls Artefakt sich. Beachten Sie, dass dieser Schritt, wenn Filter nicht erwünscht sprungen. Aber wenn Filter angewendet werden, die scharfkantige Form der Artefakt Verzerrungen in den Daten zu erstellen. Eine schmale Zeitfenster von 10 bis 15 ms nach Pulsbeginn sollte ausreichen, aber sicher sein, dies durch visuelle Inspektion der Daten zu überprüfen.
- Verbinden Sie die beiden Schnittenden nach der Impulsentfernung erstellt. Zwei Hauptmethoden, um dies zu erreichen in früheren Berichten wurde vorgeschlagen haben: 1 kommen einfach zusammen die beiden Enden nach der Impuls Entfernung restlichen (siehe Fuggetta et al 26 und Abbildung 1).;. 2. Interpolieren, eine Linie zwischen den beiden Schnittenden durch die Generierung von Werten mit gleichem Abstand zwischen ihnen 7. Das für diese Interpolation verwendet Gleichung ist wie folgt: für jede fehlende Datenpunkt y auf Probe x,berechnet: y = y 0 + ((y 1-y 0) * (xx 0)) / (x 1-x 0), wobei x 0 und y 0 die Koordinaten für den letzten Datenpunkt, bevor der Schnittsegment, und x 1 und Y 1 die Koordinaten für den ersten Datenpunkt nach dem Schnitt Segment. Beide Techniken können versichern, dass Filter auf die Daten, ohne Wellen durch scharfe Spannungsstufen angewendet werden, wie in Abbildung 1 gezeigt. Siehe die Arbeit von Reichenbach und Kollegen 27 für eine komplexere 3. Ordnung Polynom-Interpolation.
- Wenden Sie die Methode Subtraktion:
- Für jede Versuchsblock, einschließlich einer nicht-TMS Kontrollbedingung falls vorhanden, berechnen einen gemittelten ERP zu den leeren Bildschirm Studien durch Zeit sperrt sie vor Gericht zu Beginn (als ob ein Bild vorgelegt worden war).
- Subtrahieren dieser gemittelten Vorlage aus jedem Versuch alle anderen Reizbedingungen. Wenn mehrere Blöcke ausgeführt wurdenfür die gleiche Stimulationsstelle, tun dies separat für jeden Block als die Vorlage leicht unterschiedlich zwischen den Blöcken.
- Alle weiteren Vorverarbeitung und Verarbeitungsschritte nach einem anderen ERP-Experiment durchgeführt.
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Representative Results
Eine gleichzeitige EEG-TMS Untersuchung wurde verwendet, um aufzudecken, ob die ERP Antworten auf Gesichter und Körper über die occipito-zeitlichen Kopfhaut aufgezeichnet dissoziiert sind. Als visuelle Reize präsentiert werden, wird ein prominenter N1 Komponente bei posterior-lateralen Elektrodenstellen aufgezeichnet. Insbesondere ist die N1-Komponente in der Regel für Gesichter und Körper größer als zu anderen Reiz Kategorien 8,33. Bei der Beurteilung der Wirkung der Stimulation auf Gesicht und Körper-selektive Hirnareale mit fMRI auf ihren jeweiligen Gesicht und Körper N1-Komponente definiert haben wir versucht, zu zeigen, ob die Antworten Gesicht und Körper reflektieren N1 (zumindest teilweise) nicht überlappenden Quellen, oder eher die gleiche Netzwerkaktivität quantitativ unterschiedliche Aktivierungsstufen.
Wir legten ein Doppelpuls-Stimulation bei 60 ms und 100 ms nach Bildbeginn (siehe zum Beispiel Pitcher et al. 34,35), auf die flächenselektive und Körper ausgewählten Bereichen in der Seiten occip ital Kortex - der Occipital-Face Raum (OFA) und der extrastriären Body Area (EBA) (Abbildung 4A, siehe Abschnitt 1.3 oben für die Definition des relevanten fMRI kontrastiert). Die beiden Bereiche wurden in getrennten Blöcken stimuliert, während die Probanden gesehenen Bilder von Gesichtern und kopflosen Körper. Die Ergebnisse zeigen, dass die Stimulation des OFA verbessern die N1 Amplitude auf Gesichter, aber nicht für Einrichtungen, während die Stimulation des EBA verbessern die N1, Körper, aber nicht zu Gesicht. 2B zeigt das Gesicht N1 vor und nach der TMS Rest Artefakt Subtraktion und 4B zeigt die spezifische Wirkung von TMS auf die N1-Komponente als eine Funktion der stimulierten Region.
Diese Ergebnisse zeigen, wie fMRI geführte TMS während der gleichzeitigen EEG-Aufzeichnung können angewendet werden, um zu beurteilen, ob zwei (oder mehr) neuronale Netze dissoziiert, als auch für einen kausalen Zusammenhang zwischen einer funktional definierte Hirnregion und einer elektrophysiologischen Signals zu etablieren.
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.. Abbildung 1 Datenverarbeitung Roh-und verarbeitete Daten einer repräsentativen Thema, an der Seiten-Occipitalelektrode PO8 (A) Roh-EEG-Daten, darunter zwei Studien, die jeweils mit zwei TMS-Impulse von 40 ms (rote Pfeile) getrennt;. (B) Zoom in die Daten nach der Impulsentfernung. Die zwei Impulse bei jedem Durchgang von Daten durch Schneiden eines Fensters in der Umgebung des Doppelimpulses (2 ms vor dem ersten Impuls um 16 msec nach der zweiten Puls) entfernt. Die Schnittkanten werden dann durch Interpolation (rote Pfeile) verbunden, wie in 4.1.2 erläutert, (C) Die interpolierte Segment ermöglicht das Filtern, ohne Kantenartefakten. In dieser Figur ist ein 40 Hz Tiefpass-gefilterten ERP (rot) gegen seine Nicht-gefilterte Version aufgetragen(Grau), (D) Als Alternative zur Interpolation, können die freien Enden, die nach der Impuls Entfernung blieb miteinander verbunden werden (siehe zum Beispiel Fugetta et al 26 und Punkt 4.1.2 im Text). Hier werden beide Methoden verglichen und zeigen sehr ähnliche Wellenformen (blaue und rote Spuren meist überlappen), nach der Tiefpassfilterung bei 40 Hz. Rote Kurve: lineare Interpolation Verfahren; blaue Kurve:. keine Interpolation (Kanten verbunden sind voneinander zum Plotten einzige Zweck aufgenommen, um die Konsistenz der Zeitachse zu halten) Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
2. TMS Artefakte und die Subtraktion Technik. (A) Linke - der Präsentation von einem Bild von einem Gesicht ERP-Zeit gesperrt ist, mit einem Doppelpuls-TMS bei 60 ms und 100 ms nach Bild Beginn. Jede Zeile stellt eine Elektrode. Beachten Sie, dass einige Elektroden der unmittelbare TMS Artefakt durch eine längere Rest Artefakt gefolgt. Rechts - Ungefähre Spule Standort wird durch zwei rote Kreise symbolisiert, und ein paar Elektroden zur Orientierung gekennzeichnet, (B) Artifact-Subtraktion Verfahren. Der unmittelbare Impuls Artefakt entfernt wird (verdeckt) wird eine Vorlage des Restrauschens basiert auf "TMS nur" Studien gemessen und von der Voll Studien subtrahiert. Mit Genehmigung von Sadeh et al 7 angepasst. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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Abbildung 3. Stereotaktische Navigation System. Top: Einstellung für Corregistration Sehenswürdigkeiten. Um die strukturellen Scan des Kopfes mit der tatsächlichen Kopfposition während des Experiments corregister werden anatomische Landmarken auf dem Bild markiert durch Pfeile dargestellt. . Funktionelle Hirnareale genau gezielt werden: Dann werden die Orte im Raum der gleiche Wahrzeichen auf dem Kopf des Subjekts auf das System mit Hilfe eines spezialisierten Tracker, der von der Kamera erkannt wird unten zur Verfügung gestellt. Aktivierungen sind auf dem anatomischen Bild überlagert, und die gewünschten Bereiche markiert und gespeichert. Während der Sitzung kann der Experimentator einen vordefinierten Bereich mit TMS Ziel laden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
4. Repräsentative Ergebnisse. Doppelpuls-TMS wurde entweder nach rechts OFA oder rechts EBA aufgebracht, bei 60 ms und 100 ms nach dem Beginn eines Gesichts oder einer Madenkörperbild. Eine Trennung zwischen dem Gesicht-N1 und den Körper-N1 Antworten wurde (A) Die beiden Zielgebiete in einer repräsentativen unterliegen, (B) Linke - Doppel Dissoziation zwischen dem Gesicht und den Körper Netzwerken.. TMS auf die OFA verstärkte die N1 Reaktion auf Gesichter, aber nicht für Einrichtungen, relativ zu TMS an die EBA. Die entgegengesetzte Muster für Headless-Körper Reize gezeigt. Rechts - N1 Spitze-Amplitude für Gesichter und Körper, nach OFA Stimulation, EBA Stimulation, TMS und ohne Stimulation. Fehlerbalken bezeichnen die SEM. Diese Zahlen wurde mit Genehmigung von Sadeh angepasst
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Discussion
Nachdem die einzigartige Fähigkeit, kurzzeitig stören normale neuronale Aktivität in bestimmten kortikalen Bereichen, in genauen Zeitpunkte und mit einem relativ gute räumliche Genauigkeit ermöglicht TMS kausal mit einer Verhaltens-oder eine neurophysiologische Maßnahme verknüpfen eine stimulierte Hirnareal. In diesem Papier beschrieben wir ein Verfahren zur Messung EEG während der gleichzeitigen Anwendung TMS, Targeting funktionell definierten kortikalen Bereichen, und Anwenden einer Analyse, die eine zuverlässige Messung von ERP-Antworten ermöglicht. Wir haben ein Beispiel aus der Literatur, in der TMS wurde in Kombination mit EEG-und fMRI verwendet werden, um zu fragen, ob angesichts fMRI definierten Hirnbereichen (dh OFA und EBA) sind ursächlich mit ERP Antworten auf ihre bevorzugten Reize (zB Gesichter und Körper) verbunden.
Die Subtraktion Technik beschrieben, die 19 validiert und in mehreren Studien 7,26,27 angewendet wurde, hat einige bemerkenswerte Vorteile: Es ermöglicht Beseitigung der residual dauerhafte TMS Artefakt für den Zeit-Fenster des wichtigsten ERP-Komponenten; es ebenso eliminiert die Artefakt-Komponenten von Muskel-, mechanische (elektrische Störungen an den Elektroden) und nicht-kortikale gewünschte (z. B. akustische) Herkunft; und es ist auch im Liegen, direkt unter oder in der Nähe der Spulenelektroden robust und zuverlässig. Beachten Sie, dass Leitungsrauschen kann auch in diesen Elektroden ausgeprägt sein, zusätzlich zu der verbesserten Artefaktpulsamplitude TMS, da die Spule möglicherweise berühren oder in unmittelbarer Nähe zu der Elektrode oder der Drähte liegen. Die Technik hier gezeigt, ermöglicht die Extraktion von ERPs bei diesen Elektroden Sites. Dies ist von größter Bedeutung, da sehr oft die hervorgerufenen Reaktionen von Interesse Ursprung in oder in der Nähe des kortikalen Bereich angeregt. Weiterhin Gewinnung von Signalen von der gesamten Kopfhaut ist in Fällen, in denen Source-Rekonstruktionsalgorithmen gewünscht werden, erforderlich.
Die Kombination von Forschungswerkzeugen erfolgh wie TMS, EEG-und fMRI, die jeweils unterschiedliche Aspekte der Unterbreitung von neuronaler Aktivität und Angriff ähnliche Fragen aus verschiedenen Blickwinkeln, ist in der Forschung der menschlichen Wahrnehmung und Funktion des Gehirns ein vielversprechender Schritt nach vorn. Es ist zu erwarten, dass TMS werden zunehmend in Kombination mit EEG verwendet, um assoziierte kognitive oder Verhaltensfunktionen, um die elektrische Aktivität kausal, und weiter zu erkunden, entwickelt derzeit Felder wie Synchronisation, Gehirn Schwingungen und Konnektivität in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung werden kann.
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Disclosures
Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen konkurrieren.
Acknowledgments
Wir möchten David Pitcher für seinen wertvollen Beitrag zu dieser TMS Experiment danken. Diese Arbeit wurde durch ein Stipendium der Levie-Edersheim-Gitter-Institut für Hirn Abbildung auf BS, einen Zuschuss aus dem Wolfson-Stiftung finanziert; gewährt 65/08 und von 1657 bis 1608 von der israelischen Science Foundation und einem Reisestipendium des British Council Researcher Exchange Programme GY Das Experiment wurde am Wohl Institute for Advanced Imaging, Tel-Aviv Sourasky Medical Center durchgeführt.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3.0 T 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 | ||
| 50 mm 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 Inc | ||
| 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. |
References
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