חילוץ פוטנציאלים עוררים חזותיים מEEG נתונים שנרשמו במהלך גירוי מגנטי Transcranial מודרך-fMRI
Summary
מאמר זה מתאר שיטה לאיסוף וניתוח של נתונים electroencephalography (EEG) בזמן גירוי במקביל מגנטי Transcranial (TMS) מונחה על ידי הפעלות מתגלות עם הדמיה בתהודה מגנטית תפקודית (fMRI). שיטה להסרת TMS חפץ ומיצוי של פוטנציאל אירוע הקשור מתוארת, כמו גם שיקולים בעיצוב פרדיגמה והתקנה ניסיונית.
Abstract
גירוי המגנטי Transcranial (TMS) הוא שיטה יעילה לקביעת קשר סיבתי בין אזור בקליפת המוח והשפעות נוירופיזיולוגיות / קוגניטיבי. באופן ספציפי, על ידי יצירת הפרעה חולפת עם הפעילות הנורמלית של אזור יעד ומדידת שינויים באותות אלקטרו, אנחנו יכולים להקים קשר סיבתי בין אזור מגורה במוח או רשת ואת אות אלקטרו שאנו רושמים. אם אזורי המטרה במוח באופן פונקציונלי מוגדרים עם לפני סריקת fMRI, TMS יכול לשמש כדי לקשר את הפעלות fMRI עם פוטנציאל עורר מוקלט. עם זאת, ביצוע ניסויים כאלה מציב אתגרים משמעותיים טכניים ניתנו החפצים משרעת גבוהים הוכנסו לאות EEG ידי פולס המגנטי, והקושי למקד בהצלחה באזורים שהוגדרו על ידי בחינה תפקודית fMRI. כאן אנו מתארים מתודולוגיה לשילוב של שלושה כלים נפוצים הבאים: TMS, EEG, וה-fMRI. אנחנו מסבירים איך להנחות את ממריץ & #39; של סליל לאזור הרצוי היעד תוך שימוש בנתוני MRI אנטומי או פונקציונליים, איך להקליט EEG במהלך TMS במקביל, איך לתכנן מחקר ERP מתאים לשילוב EEG-TMS וכיצד לחלץ ERP אמין מהנתונים שנרשמו. אנו נספק תוצאות נציג ממחקר שפורסם בעבר, שבי TMS המודרך-fMRI שימש במקביל לEEG כדי להראות שN1 הפנים סלקטיבית ורכיב N1 הגוף סלקטיבית של ה-ERP הקשורים לרשתות עצביות שונות בextrastriate קליפת המוח. שיטה זו מאפשרת לנו לשלב ברזולוציה מרחבית הגבוהה של fMRI עם הרזולוציה הגבוהה הזמנית של TMS וה-EEG ולכן לקבל הבנה מקיפה של הבסיס העצבי של תהליכים קוגניטיביים שונים.
Introduction
גירוי המגנטי Transcranial (TMS) יוצר הפרעה רגעית לפעילות העצבית הנורמלית באזורי היעד של המוח. על ידי יצירת ההפרעה העצבית החולפת הזה ומדידת שינוי התנהגותי או פיסיולוגי, אנו יכולים להסיק על קשר סיבתי בין אזור היעד ואת אפקט הניסוי נמדד (לסקירה ראתה פסקואל-האונה et al. וטיילור et al. 1,2). כגון השפעה ניסיונית עשויה להיות, למשל, ביצועים במשימות קוגניטיביות או שינוי בפעילות אלקטרו (EEG). ואכן, בשנים האחרונות חוקרים החלו להשתמש TMS בשילוב עם EEG להתייחס ישירות אזורים בקליפת המוח עם פוטנציאל הקשור לאירוע (ERP) או דפוסי פעילות תנודתית (לדוגמא 2-7). במאמר המתודולוגי זה נתאר מסגרת מסוימת ושימושית לשילוב TMS וEEG: TMS מודרך-fMRI במהלך ניסוי ה-ERP. ראשית, יהיה לנו פירוט כיצד ליישם TMS לאזורים שהוגדרו מראש על ידי FMRI, בעת הקלטת נתוני ה-EEG. לאחר מכן נתאר עיצוב ניסיוני המאפשר מיצוי של ERP אמין. המטרה של ניסוי כזה היא קשר סיבתי אזורים במוח קישור מתגלים עם MRI הפונקציונלי לרכיבי ה-ERP של עניין. לבסוף, אנו נותנים דוגמא ספציפית של מחקר הנוגע פנים וERPs סלקטיבית גוף עם אזורים סלקטיבית פנים וגוף שמתגלים עם fMRI.
מהו היתרון של קישור אותות EEG עם הפעלות fMRI? EEG ו fMRI משמשים בדרך כלל כלים כדי למדוד את תגובות בקליפת המוח לקלט חזותי. לדוגמא, בקטגוריה-הסלקטיביות במסלול החזותי הוערכה לקטגוריות אובייקט חזותיות שונות כגון פנים, חלקי גוף, ומילות כתובים, הן באמצעות ERP מופק 8,9 EEG נתונים, ופונקציונלי MRI 10-12. האותות שנמדדו על ידי שני כלי מחקר נפוצים אלה, עם זאת, טבע שונה במהותו. EEG נושא מידע על פעילות חשמלית עצבית עם זמן נהדרדיוק, אבל ברזולוציה מרחבית נמוכה מאוד ועשויות לשקף תערובת של מקורות רבים המשמשים כבסיס נפרד. FMRI מספק אמצעי עקיף של פעילות עצבית להסתמך על השינויים המודינמית איטיים המתרחשים במהלך מצגת גירוי ו / או ביצוע משימה, אך מציג את הפעילות הזו עם רזולוציה מרחבית גבוהה יותר. הקמת מתאם בין שני המדדים ולכן יכולה להיות עניין רב, אך היא מוגבלת בכך שהיא אינה מעיד על קשר סיבתי בין תגובת אלקטרו מוקלט קרקפת והאזורים חשפו עם MRI הפונקציונלי. גם כאשר נמדדו בו זמנית (לדוגמא 13-15), לא ניתן לקבוע קשר סיבתי בין כיוונית EEG ופעילות באזורים בקליפת המוח שהוגדרו מבחינה תפקודית. TMS הוא כלי שיכול לסייע להשגת הקמתה של מערכת יחסים כזו סיבתי.
מחקר EEG-TMS בו זמנית הוא מתודולוגית מאתגר, בעיקר בשל חפץ המתח הגבוה הציג את אות ה-EEG בy הגירוי המגנטי (ראה איור 1, לסקירה ראה Ilmoniemi et al. 16). חפץ זה מורכב מהפרעה חולפת קצרה חיים הקשורים לדופק, בעקבות לעתים קרובות על ידי חפץ משני (או שיורית) איטי יותר שעלולה להימשך כמה מאות אלפיות השניה אחרי הדופק מועבר איור 2 א, ובכך לעקוף את רוב רכיבי ה-ERP של עניין. חפץ המשני זה עשוי לכלול מקורות מכאניים כגון זרמים הנגרמים על ידי פולס המגנטי לחיווט והדעיכה האיטית של זרמים אלה בעור, ומקורות פיסיולוגיים כמו פעילות שרירית על פני הקרקפת והשמיעתית או פוטנציאלים החושית עורר הושרה על ידי הפעלת הסליל 17-20. למרות שהמקורות מכאניים של הפרעה כנראה לייצר חפצים משרעת גדולים יותר מאשר הפיסיולוגיים אלה, לא ניתן להפריד בין חפצים השונים אלה, וקיומו של כל אחד מהם באות יכול לבלבל את התוצאות. אחת אפשרי כל כךlution הוא היישום של פולסים TMS חוזר על עצמו לפני EEG הקלטה ("TMS לא מקוון"), בניגוד לEEG-TMS בו זמנית. ההשפעה המעכבת של פרוטוקול כזה על פעילות בקליפת המוח נמשכת במשך כמה דקות (ועד חצי שעה) לאחר הגירוי, וה-EEG ניתן למדוד במהלך חלון זמן זה יעיל והשוואה לנקודת התחלה, לפני TMS, נתוני ה-EEG. גירוי חוזר על עצמו, לעומת זאת, הוא על פי הגדרה חסרת הרזולוציה הגבוהה הזמנית שTMS באינטרנט עשוי להציע, שבו יכולים להיות מנוהלים על פולסים בתזמון מדויק ביחס לתחילת משפטו ברזולוציה אלפית השנייה. ההשפעה של גירוי חוזר על עצמו יכול גם להפיץ באמצעות חיבורי קליפת המוח על פני שטח רחב יותר מרצויה, ולכן להפחית באופן משמעותי את הרזולוציה המרחבית גם כן.
כדי לנצל את היתרונות של שניהם ברזולוציה המרחב ובזמן שTMS יכול לספק, ניתן ליישם שילוב EEG-TMS בו זמנית. עם זאת, זה דורש שיטות להסרת של חפציםנוצר על ידי הגירוי המגנטי על אות ה-EEG. פתרונות מתמטיים מנותק מעט מאוד להסרת חפץ TMS הוצעו 16,21,22, למרות שאין שיטה מוסכם, ואין שיטה אחת עשויה להיות אופטימלית לכל עיצובים הניסיוניים. מערכת "גזיר", בהיקף של מעגלי דגימה והחזק, פותחה גם לעצור לרגע רכישת EEG במהלך לידת דופק TMS 20. טכניקה זו דורשת לא רק חומרה מיוחדת, אבל לא יכולה להסיר את חפץ TMS שיורי לחלוטין. במאמר זה נתאר התאמת המתודולוגיה EEG-TMS שפותח על ידי Thut ועמיתים 19, מתאימים במיוחד למחקרי ה-ERP. טכניקה זו מאפשרת מיצוי אמין של ה-ERP תוך ביטול כל רכיבי הרעש השיורי שנגרמו על ידי איור דופק TMS 2. בנוסף, אנו נספק הדרכה כללית להגדרת ניסוי EEG-TMS מוצלח.
אתגר נוסף במחקרי TMS התייחס in נייר מתודולוגית זו הוא למצוא את המיקום הטוב ביותר וסליל הזווית למיקוד מדויק של האזור בקליפת המוח הרצוי. אנו מתארים את השימוש של מערכת ניווט stereotactic לcoregister ראשו של הנושא עם תמונות MRI פונקציונליות שנרכשו מראש. למרות שמערכת הניווט יכולה לשמש כדי למקם מבנים במוח מבחינה אנטומית מוגדרים, מיקוד מודרך-fMRI הוא שימושי במיוחד מאז לפונקציות רבות ותופעות ניסיוניות את המיקום המדויק של הפעלה לא ניתן להסיק מסמנים אנטומיים לבד. לאזורים פונקציונליים כזה של עניין (ROI), ההגדרה של אזור הוא עשה עבור כל משתתף בנפרד.
כדי להמחיש את כל האמור לעיל, אנו נספק דוגמא למחקר שנערכנו בעבר, שבו EEG נרשם במקביל לTMS מונחה על ידי הפעלות fMRI 7. במחקר זה, דיסוציאציה כפולה נעשתה בין ERPs פנים סלקטיבית וגוף סלקטיבי, למרות שפנים והגוף ERPs אפונהk בערך באותו אתרי מיסות ואלקטרודה, מיקוד באזורי פנים סלקטיבית וגוף סלקטיבי מוגדר בנפרד באונה העורפית לרוחב אפשר לנו לנתק את הרשתות עצביות שבבסיס כל תגובת ה-ERP. לבסוף, ננסה לתת יעוץ כלליים יותר לייעול הקלטת EEG במהלך יישום TMS.
Protocol
Representative Results
Discussion
בעל היכולת הייחודית לשבש פעילות עצבית נורמלית באזורים בקליפת המוח שנבחרו לרגע, בנקודות זמן מדויקות ועם דיוק מרחבי טוב יחסית, TMS מאפשר לקשר סיבתי אזור במוח מגורה עם התנהגותיות או מידה נוירופיזיולוגיות. במאמר זה אנו מתארים שיטה למדידת EEG במהלך יישום TMS במקביל, מיקוד אזו…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ברצוננו להודות לכד דוד על תרומתו רבת ערך לניסוי TMS זה. מחקר זה מומן על ידי מענק ממכון לוי-אדרשים-גיטר למיפוי מוח לתואר ראשון, מענק מטעם קרן וולפסון; מעניק 65/08 ו1657-1608 מקרן המדע הישראלית ומענק נסיעות מחוקר המועצה הבריטית לניירות ערך התכנית לGY הניסוי נערך במכון וואהל להדמיה מתקדם, תל אביב המרכז רפואי ע"ש סוראסקי.
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. |
References
- 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).
