Transkraniel magnetisk stimulation (TMS) er en teknik til non-invasivt forstyrre neurale informationsbehandling og måle dens effekt på adfærd. Når TMS interfererer med en opgave, betyder det, at den stimulerede område af hjernen er nødvendig for normal opgavevaretagelse, tillader en systematisk forholde områder af hjernen til kognitive funktioner.
Transkraniel magnetisk stimulation (TMS) er en sikker, non-invasiv brain stimulation teknik, der bruger en stærk elektromagnet for midlertidigt at afbryde informationsbehandling i et område af hjernen, der genererer en kortvarig "virtuel læsion." Stimulation, der interfererer med opgaveløsningen angiver at den ramte område af hjernen er nødvendig for at udføre opgaven normalt. Med andre ord, i modsætning til billeddannende fremgangsmåder, såsom funktionel magnetisk resonans billeddannelse (fMRI), der indikerer korrelationer mellem hjernen og adfærd, TMS kan anvendes til at påvise kausale hjerne-adfærd forbindelser. Endvidere, ved at variere varigheden og påbegyndelsen af den virtuelle læsion, TMS kan også afsløre tidsforløbet af normal bearbejdning. Som et resultat, har TMS blevet et vigtigt redskab i kognitiv neurovidenskab. Fordele ved teknik igen studier læsion underskud omfatter bedre fysisk-temporale præcision af afbrydelsen effekt, evnen til at bruge deltagerne som deres egen control fag, og tilgængeligheden af deltagere. Begrænsninger omfatter samtidige auditive og somatosensoriske stimulation, der kan påvirke opgaveløsningen, begrænset adgang til strukturer mere end et par centimeter fra overfladen af hovedbunden, og den relativt store rum af frie parametre, der skal optimeres, for at eksperimentet til at arbejde. Eksperimentelle design, der nøje overveje passende kontrolforanstaltninger betingelser bidrage til at løse disse problemer. Denne artikel illustrerer disse spørgsmål med TMS resultater, der undersøger de rumlige og tidslige bidrag venstre supramarginal gyrus (SMG) til at læse.
Transkraniel magnetisk stimulation (TMS) er en sikker og ikke-invasiv værktøj, der anvendes til brain stimulation. Det bruger et hastigt skiftende elektrisk strøm inden for en ledende spole til at generere et stærkt, men relativt focal, magnetfelt. Når de anvendes til hovedbunden, det magnetiske felt inducerer elektriske aktivitet i den underliggende hjernevæv midlertidigt forstyrre lokale kortikale informationsbehandling. Denne forbigående indblanding effektivt skaber en kortvarig "virtuel læsion" 1,2. Denne teknik giver en ikke-invasiv metode til at trække kausale hjerne-adfærd følgeslutninger og undersøge den tidsmæssige dynamik online neurale informationsbehandling i både raske voksne og neurologiske patienter.
Ved selektivt at interferere med regionalt specifikke kortikale behandling, kan TMS bruges til at tegne årsagssammenhængene mellem hjernen regioner og specifikke adfærd 3,4. Det er, hvis stimulere en kortikale område væsentligtpåvirker opgaveløsningen i forhold til passende kontrolordninger betingelser, indikerer dette, at stimulerede område er nødvendig for at udføre opgaven normalt. Kausale slutninger af denne art er en af de store fordele ved TMS flere Neuroimaging metoder såsom funktionel magnetisk resonans billeddannelse (fMRI) eller positronemissionstomografi (PET). I modsætning Neuroimaging teknikker, der måler neurale aktivitet og korrelerer det med adfærd, TMS giver mulighed for at forurolige neurale informationsbehandling og måle dens virkninger på adfærd. I denne forstand er det mere som traditionel læsion-underskud analyser hos patienter med hjerneskade, bortset fra at TMS er non-invasiv og virkningerne er midlertidige og reversible. TMS har også flere fordele i forhold læsioner studier. For eksempel virkningerne af stimulering er generelt mere rumligt præcis end naturligt forekommende læsioner, som ofte er store og er meget forskellige patienter. Derudover kan deltagerne blive brugt som deres egne kontroller, thereby undgå udstedelse af potentielle forskelle i præ-morbide evner mellem patienter og kontroller. Endelig er der ikke tilstrækkelig tid til funktionel reorganisering at finde sted i løbet af TMS, hvilket betyder, at recovery-processer er usandsynligt, at forvirre de resultater 5. Med andre ord, TMS tilbyder et kraftfuldt værktøj til at undersøge kausale hjerne-adfærd relationer, der supplerer korrelationsmaalinger teknikker såsom funktionel Neuroimaging.
TMS kan også anvendes til at undersøge tidsforløbet af neurale informationsbehandling ved brug af meget korte byger af stimulering og varierende indtræden af stimulering 6. Typisk indebærer enten en enkelt eller dobbelt puls TMS leveres til en region på forskellige tidspunkter inden for en retssag. Fordi effekten af en enkelt TMS puls sker umiddelbart og varer et sted mellem 5 og 40 msec 7-10, dette gør det muligt for forskeren at kortlægge de tidsmæssige dynamik i den regionale neuronal aktivitet, herunder dens onset, varighed og offset 11,12. Varigheden af denne afbrydelse begrænser den tidsmæssige opløsning af teknikken til 10'erne af millisekunder, omtrent en størrelsesorden grovere end electroencefalografi (EEG) og magnetoencephalography (MEG). På den anden side, de tider observeret i kronometriske TMS undersøgelser har en tendens til at matche dem fra invasive neurofysiologiske optagelser bedre end EEG og MEG 9,13. Formentlig er det fordi EEG og MEG måle storstilet neuronal synkront, der halter bagefter den tidligste udbrud af aktivitet 14. Hertil kommer, ligesom fMRI og PET, EEG og MEG er korrelationsmaalinger mål for hele hjernens aktivitet mens kronometriske TMS ikke kun kan give vigtige oplysninger om de regionale tidsmæssige dynamik, men også om nødvendigheden af regionen for en given adfærd.
Selvom TMS oprindeligt blev udviklet til at undersøge fysiologi motoriske system 15, blev det hurtigt vedtaget som et værdifuldt værktøj til cognitive neurovidenskab. En af dens tidligste anvendelser som en "virtuel læsion" teknik var at fremkalde talehæmning ved at stimulere venstre ringere frontale cortex 16-18. Resultaterne bekræftede vigtigheden af Brocas område til tale produktion og foreslog et potentielt alternativ til Wada test for at bestemme sproget dominans efter neurokirurgiske indgreb 16,19. Nu TMS anvendes i stort set alle områder af kognitiv neurovidenskab, herunder opmærksomhed 20 hukommelse 21, visuel bearbejdning 22, action planlægning 23 beslutningstagning 24 og sprogbehandling 25. Typisk TMS inducerer enten øgede fejlprocenter eller langsommere reaktionstider (RTS), som begge er taget som indikatorer for årsagssammenhænge mellem hjerne og adfærd 3,4. Nogle undersøgelser bruger TMS i både sin virtuelle læsion tilstand og som et kronometriske værktøj. For eksempel Pitcher og kolleger første 11 viste, at gentagne TMS(RTMS) leveret til occipital ansigtet området forstyrret præcis facial diskrimination og derefter bruges kronometriske TMS at fastslå, at denne effekt kun var til stede, da TMS blev leveret ved 60 og 100 millisekunder, hvilket viser, at denne særlige område af hjernen bearbejder ansigt-del oplysninger på et tidligt fase af ansigtsgenkendelse. I alle de her nævnte eksempler er TMS administreres "on-line", der er i løbet af opgaveløsningen, således at virkningen af TMS er øjeblikkelig og kortvarig (dvs. effekterne vare så længe som varigheden af stimulation). Dette står i kontrast med "off-line" TMS som involverer enten lange kørsler af lavfrekvent stimulation 21 eller korte byger af mønstret stimulation 26, før du starter en opgave. I off-line TMS effekterne sidste langt ud over varigheden af TMS selve ansøgningen. Denne artikel fokuserer udelukkende på "on-line"-tilgang.
De første skridt i udarbejdelsen af eventuelle TMS eXperiment omfatter identificere en stimulation protokol og vælge en lokalisering metode. Stimulation parametre omfatter intensitet, hyppighed og varighed af TMS og er begrænset af internationalt definerede sikkerhedskrav 27,28. Hver TMS eksperiment kræver også en passende lokalisering procedure for positionering og orientere spolen nøjagtigt over stimulation site. Lokalisering kan være baseret på standard plads koordinater 29 eller 10 – 20 lokalisering-system 30, men typisk er skræddersyet til hver enkelt deltager 31. For sidstnævnte er der mange muligheder, der omfatter målrettet stimulation baseret på den enkeltes anatomi 32, funktionelt lokalisering bruge fMRI 33 eller funktionelt lokalisere hjælp TMS 34. Protokollen præsenteres her fortaler funktionel lokalisering med TMS som en del af en generel protokol for on-line TMS eksperimenter. Så et illustrativt eksempel præsenteres hvordan TMS kan anvendesat undersøge de funktionelle bidrag venstre supramarginal gyrus (SMG) til fonologisk forarbejdning i læsning.
Denne artikel præsenterer en protokol for at vurdere den kausale og tidsmæssige inddragelse af områder af hjernen i kognitive processer ved hjælp af online-TMS. Denne diskussion fremhæver først de kritiske trin for at skabe en succesfuld TMS protokol og derefter de begrænsninger, der skal overvejes, når designe en TMS eksperiment.
Fordi TMS-protokoller har et stort antal frie parametre, der sikrer de optimale stimulation parametre er et afgørende skridt i forberedelsen en TMS eksperiment. Normalt er denne opnås gennem omfattende pilot test med henblik på at bestemme stimulation frekvens, varighed, intensitet, inter-retssagen interval, og spole orientering nødvendig for at producere robuste effekter. At skabe en effektiv "virtuel læsion" frekvensen skal fremkalde en robust effekt, der dækker et tilstrækkeligt stort tidsvindue til at omfatte den kognitive proces af interesse. Som et resultat, både hyppighed og varighed varierer på tværs af studierne. Tilsvarende & #8220, højre "stimulationsintensiteten er én, der sikrer det magnetiske felt påvirker neurale forarbejdning i målet område af hjernen, og her er den vigtigste faktor er afstanden fra spolen til stimulering stedet 51. Mange undersøgelser identificere intensiteten af stimulation nødvendig for at producere en motor respons, når stimulere hånd område af primær motor cortex og bruge denne til at normalisere intensiteten tværs deltagere 52,53-55. Denne foranstaltning er imidlertid ikke en pålidelig indeks for ikke-motoriske områder 42,51,56 den optimale intensitet. En anden mulighed er at bruge den samme intensitet for alle deltagere. Den valgte intensitet bør være effektive på tværs af alle pilotprojekter fag efter at eksperimentere med en række stimulation intensiteter. Derudover spolen orientering er en vigtig parameter, der kræver overvejelse. Den specifikke spole orientering påvirker fordelingen af det inducerede elektriske felt inden for den stimulerede neuronal befolkning og kan derfor påvirke adfærdsVior. I almindelighed kan offentliggjorte protokoller giver et udgangspunkt, der er iterativt modificeres under pilot test, der passer til det specifikke eksperiment. Men ofte er oplysninger om dette pilotforsøg udeladt fra den endelige manuskript, som har den uheldige virkning, at skjule nogle centrale aspekter ved protokollen designprocessen.
Vælge en lokalisering procedure er også vigtigt at sikre, at stimulering administreres til optimal site. Selvom mange undersøgelser med succes har lokaliseret stimulation websteder ved hjælp anatomi-baserede metoder, der er målrettet en enkelt placering på tværs af de enkelte deltagere 57,58, tilpasning af stimulation site for hvert emne individuelt reducerer mellem-emne varians i adfærdsmæssige giver resultater en mere effektiv metode 31. Her præsenterede vi en TMS-baserede funktionel lokalisering procedure, der giver fordele i forhold til fMRI-baserede lokalisering. Specifikt undgår problemet med forskellige rumlige bias væremellem fMRI (dvs. drænende vener 59) og TMS (dvs. orienteringen af axoner i magnetfeltet 6,60), som kan resultere i den samme neurale reaktion blive lokaliseret til forskellige steder. Desuden er det velkendt, at den specifikke placering af aktiverings "toppe" i fMRI kan variere betydeligt, hvilket gør dem optimale som TMS målrettet 55,61. Alligevel en række forskellige lokaliserings procedurer er beviseligt er effektiv, så det specifikke valg er mindre vigtigt at sikre, at uanset hvilken metode der anvendes giver pålidelige, reproducerbare virkninger.
Selvom eksperimentet data præsenteres her brugt reaktionstider som den afhængige foranstaltning, der er mange andre muligheder. For eksempel, nogle undersøgelser bruger nøjagtighed i stedet 9,12,62. I disse tilfælde er normal ydeevne uden TMS allerede under loftet niveauer, så forstyrrelser fremkaldt ved stimulation afspejles i nøjagtighed scoringer.Andre undersøgelser har målt effekten af stimulation på øjenbevægelser 63,64. Mest kognitiv neurovidenskab eksperimenter med TMS dog bruge reaktionstider som deres afhængig foranstaltning 13,48,65,66. Typisk er virkningerne på rækkefølgen af snesevis af millisekunder, eller omkring en ændring i reaktionstider 67 10%. Uanset afhængig foranstaltning anvendes, bør være robust og konsistent, således at relativt små ændringer kan let observeres.
Som enhver eksperimentel teknik, TMS har vigtige begrænsninger, der skal overvejes, når du vælger denne metode. De mest almindelige er: i) den rumlige opløsning af TMS, ii) ikke-specifikke effekter forbundet med stimulering, og iii) sikkerhedsaspekter af metoden. Først TMS har en begrænset dybde af stimulering, fordi magnetfelt reducerer i intensitet jo længere væk er det fra spolen. Derfor er det mest effektive til at stimulere hjernen regioner nær hovedbunden (~ 2 – 3 cm) 68,69 </sup> Og er ineffektiv i at stimulere dybe hjernens strukturer. Som et resultat, er de eneste regioner, der er direkte tilgængelige til TMS begrænset til den korticale kappe, selvom forskellige formede spoler bliver udviklet for at nå dybere regioner som basalganglierne 69. TMS har også en rumlig opløsning på ca 0,5-1 cm 47,70-72. Således kan fremgangsmåden ikke anvendes til at undersøge de funktionelle bidrag fra finkornet rumlige strukturer såsom corticale kolonner.
En anden begrænsning af TMS er, at stimulation introducerer samtidige sensoriske bivirkninger som følge af det hastigt skiftende magnetfelt. Mest bemærkelsesværdigt er hver magnetisk puls ledsaget af en auditiv klik og en aflytning sensation. TMS kan derfor være upassende for visse auditive eller somatosensoriske eksperimenter, hvor disse bivirkninger kan interferere med opgaveløsningen. Bemærk dog, at online TMS er blevet brugt med succes i nogle auditive eksperimenter 73,74 </sop> og er derfor lade sig gøre i det mindste nogle opgaver. En anden overvejelse er, at intensiteten af de sensoriske effekter forskelligt i hoved lokationer. For eksempel vil stimulering, der er indgivet til en placering tæt på øret lyde højere end steder længere væk. Ligeledes flere ventrale steder på hovedet producere større muskel sammentrækning end dorsal områder 75,76. Fordi disse websted forskelle kan fremkalde eksperimentelle forvirrer, er det vigtigt at bruge enten et kontrolstedet med lignende bivirkninger til de vigtigste site, såsom kontralaterale homologer 77 eller omfatte kontrol betingelser / opgaver, der ikke indpasses i processen med interesse 24,62 , 73,78,79.
Endelig skal sikkerhedsmæssige overvejelser altid tages i betragtning ved udformningen TMS eksperimenter, da det potentielt kan fremkalde besvimelse og kramper 27. For at minimere denne risiko, internationalt anerkendte retningslinjer for stimulation intensitet, frekvens og varighed exists, samt for det samlede antal af pulser og inter-retssagen intervaller 27,28. Protokoller, der forbliver inden for disse retningslinjer menes at være sikkert for neurologisk normale deltagere. Det er dog værd at bemærke, at disse er endnu ufuldstændige, og at der indføres ofte nye TMS protokoller, der også vise sig sikker. Generelt tyder på, at når offentliggjorte retningslinjer følges, TMS er en sikker procedure uden farlige bivirkninger. En konsekvens af disse begrænsninger, er imidlertid, at adfærdsmæssige protokoller ofte skal justeres, inden de kan anvendes med TMS. Dette har konsekvenser for flere aspekter af design, herunder længden af forsøget, antal forsøg, antal forhold og stimulering sites, der kan testes. Nogle af disse begrænsninger kan overvindes ved at opdele eksperimentet i separate sessioner såsom at teste forskellige stimulation steder på forskellige dage. I disse tilfælde er det vigtigt at sikre, at lokaliseringog afprøvning af et site er gjort inden for samme session. Dette minimerer eksperimentelle varians ved at maksimere nøjagtigheden af målretning. Når der træffes beslutning om at anvende en eller flere test session, den grundlæggende begrænsning, er sikkerheden for deltageren – specielt mængden af stimulation, der er sikkert i en enkelt session. Den samlede stimulering involverer orientering og praksis, lokalisering (hvis du bruger TMS), og afprøvning, potentielt over flere steder, og kritisk afhænger af antallet af forsøg pr tilstand. Hvis dette tal overstiger retningslinjerne for en enkelt session, er det nødvendigt at bryde eksperimentet i flere sessioner, foretaget mindst 24 timer fra hinanden. Der er ingen hårde og hurtige regler for det mindste antal forsøg der er nødvendige for TMS eksperimenter, men som enhver eksperiment, kan disse beregnes ved hjælp af power beregninger standard baseret på effekt størrelse, varians, α-niveau (typisk 0,05) og den ønskede følsomhed. Ofte rimelige skøn overeffektstørrelsen og varians er til rådighed som følge af den omfattende pilot test udført for at optimere forsøgsprotokollen.
Sammenfattende er TMS blevet et vigtigt redskab med brede applikationer til kognitiv neurovidenskab. Denne artikel giver en grundlæggende protokol for online TMS i forbindelse med en adfærdsmæssig opgave for at undersøge kausale hjerne adfærdsterapi relationer både i "virtuelt læsion" mode, og også en kronometriske værktøj for at udforske de tidsmæssige dynamik regionalt specifikke neurale informationsbehandling.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne har ingen bekræftelser.
1) Magstim Rapid2 stimulator (Magstim, Carmarthenshire, UK) | |||
2) 70-mm diameter figure-of-eight coil | |||
3) Brainsight frameless stereotaxy system (RogueResearch, Montreal, Canada) | |||
4) Polaris Vicra infrared camera (Northern Digital, Waterloo, ON, Canada) |