Transkranial magnetisk stimulering (TMS) er en teknikk for ikke-invasiv forstyrre nevrale informasjonsbehandling og måle dens effekt på atferd. Når TMS forstyrrer en oppgave, betyr det at stimulert hjernen regionen er nødvendig for normal oppgave ytelse, slik at man systematisk forholde hjernen til kognitive funksjoner.
Transkranial magnetisk stimulering (TMS) er en trygg, ikke-invasiv hjernestimulering teknikk som bruker en sterk elektromagnet for å midlertidig forstyrre informasjonsbehandling i en hjerneregion, genererer en kortvarig "virtuell lesjon." Stimulering som forstyrrer utførelsen av oppgaver indikerer at den påvirkes hjerneregion som er nødvendig for å utføre oppgaven på vanlig måte. Med andre ord, i motsetning til Bildediagnostiske metoder som funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) som indikerer sammenhenger mellom hjerne og atferd, TMS kan brukes til å demonstrere kausale hjerne-atferd relasjoner. Videre, ved å variere varigheten og start av den virtuelle lesjon, TMS kan også avsløre tidsforløpet for normal bearbeiding. Som et resultat, har TMS blitt et viktig verktøy i kognitiv nevrovitenskap. Fordeler med teknikken lesjon-underskudd studier inkluderer bedre romlig-temporal presisjon av avbrudd effekt, muligheten til å bruke deltakerne som sin egen control fag, og tilgjengeligheten av deltakerne. Begrensninger omfatter samtidig auditive og somatosensory stimulering som kan påvirke aktiviteten ytelse, begrenset tilgang til strukturene mer enn noen få centimeter fra overflaten av hodebunnen, og den forholdsvis store mellomrom av frie parametere som må bli optimalisert for at eksperimentet for å fungere. Eksperimentelle design som gir en nøye vurdering til hensiktsmessige kontroll forhold bidra til å løse disse bekymringene. Denne artikkelen illustrerer disse problemene med TMS resultater som undersøker de romlige og tidsmessige bidrag fra venstre supramarginal gyrus (SMG) til å lese.
Transkranial magnetisk stimulering (TMS) er et trygt og ikke-invasiv verktøy som brukes for hjernestimulering. Den bruker en rask endring av elektrisk strøm i et ledende spole til å generere en sterk, men relativt fokal-magnetfelt. Når påføres hodebunnen, induserer det magnetiske feltet elektriske aktiviteten i den underliggende hjernevev, midlertidig forstyrre lokal kortikale informasjonsbehandling. Denne forbigående forstyrrelser skaper effektivt en kortvarig "virtuell lesjon" 1,2. Denne teknikken gir en ikke-invasiv metode for å trekke kausale hjerne-atferd slutninger og undersøker de timelige dynamikken i online nevral informasjonsbehandling hos både friske voksne og nevrologiske pasienter.
Ved å selektivt forstyrre regionalt spesifikke kortikal prosessering, kan TMS brukes til å trekke kausale sammenhenger mellom hjerneregioner og spesiell oppførsel 3,4. Det vil si, hvis stimulere en cortical området betydeligpåvirker oppgaveytelse i forhold til hensiktsmessige kontrollforhold, indikerer dette at det stimuleres området er nødvendig for å utføre oppgaven normalt. Årsaks slutninger av denne typen er en av de store fordelene med TMS enn Bildediagnostiske metoder som funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) eller positronemisjonstomografi (PET). I motsetning til bildediagnostiske teknikker som måler hjerneaktiviteten og korrelerer det med atferd, tilbyr TMS muligheten til å forurolige nevral informasjonsbehandling og måle dens virkninger på atferd. I denne forstand, er det mer som tradisjonell lesjon-underskudd analyser hos pasienter med hjerneskade, bortsett fra at TMS er non-invasiv og effektene er midlertidige og reverserbare. TMS har også flere fordeler fremfor lesjon studier. For eksempel, virkningene av stimulering er generelt romlig presis enn naturlig forekommende lesjoner, som ofte er stor og varierer sterkt over pasienter. I tillegg kan deltakerne anvendes som sine egne kontroller, er dervedy unngå spørsmålet om mulige forskjeller i pre-morbide evner mellom pasienter og kontroller. Til slutt, det er for lite tid for funksjonell omorganisering skal skje i løpet av TMS, noe som betyr at rehabiliteringsprosesser er usannsynlig å forvirre resultatene fem. Med andre ord, TMS tilbyr et kraftig verktøy for å undersøke årsaks hjerne-atferd relasjoner som utfyller korrelative teknikker som funksjonell Bildediagnostiske.
TMS kan også brukes til å undersøke tidsforløpet av nevral informasjonsbehandling ved hjelp av meget korte utbrudd av stimulering og varierende utbruddet av stimulering 6.. Vanligvis innebærer dette enten en enkel eller dobbel puls TMS levert til en region på ulike tidspunkter i løpet av en prøveperiode. Fordi effekten av en individuell TMS puls skjer umiddelbart og varer et sted mellom 5 og 40 msek 7-10, gjør denne forskeren å kartlegge de timelige dynamikken i regionale neuronal aktivitet inkludert sin onset, varighet, og offset 11,12. Varigheten av denne forstyrrelsen begrenser tidsmessig oppløsning av teknikken til 10s msek, omtrent en størrelsesorden grovere enn elektroencefalografi (EEG) og magnetoencefalografi (MEG). På den annen side, tidsberegningen observert i kronometriske TMS studier har en tendens til å matche de fra invasive nevrofysiologiske opptak bedre enn EEG og MEG 9,13. Antagelig er dette fordi EEG og MEG måle storskala nevronale synkronitet som henger etter den tidligste utbruddet av aktivitet 14. I tillegg, som fMRI og PET, EEG og MEG er korrelative tiltak av hele hjerneaktiviteten mens kronometriske TMS kan ikke bare gi viktig informasjon om regionale time dynamikk, men også om nødvendigheten av regionen for en gitt atferd.
Selv om TMS ble opprinnelig utviklet for å undersøke fysiologi av motoriske system 15, ble det raskt vedtatt som et verdifullt verktøy for cognitive nevrovitenskap. En av de tidligste bruker som et "virtuelt lesjon" teknikken var å indusere arrest tale ved å stimulere den venstre underlegne frontal cortex 16-18. Resultatene bekreftet viktigheten av Brocas område for taleproduksjon og foreslo et potensielt alternativ til Wada-testing for å fastslå språket dominans senere til nevrokirurgiske inngrep 16,19. Nå TMS brukes i nær sagt alle områder av kognitiv nevrovitenskap inkludert oppmerksomhet 20, minnet 21, visuell prosessering 22, handlingsplaner 23, beslutnings 24, og språkbehandling 25. Vanligvis TMS induserer både økt feilrater eller tregere reaksjonstider (RTS), som begge er tatt som indikatorer på årsakssammenhengen mellom hjerne og atferd 3,4. Noen studier bruker TMS i både sin virtuelle lesjon modus og kan kronometriske verktøy. For eksempel, Pitcher og kolleger 11 første viste at repeterende TMS(RTMS) levert til occipital ansiktet området forstyrret nøyaktig ansikts diskriminering og deretter brukt kronometriske TMS å fastslå at denne effekten bare var til stede da TMS ble levert på 60 og 100 msek, viser at denne hjernen regionen behandler ansikt-del informasjon på et tidlig stadium av ansiktsgjenkjenning. I alle de her nevnte eksempler, er TMS administrert "on-line", dvs. ved utføring av oppgaver, slik at effekten av TMS er umiddelbar og kortvarig (dvs. virkningene vare så lenge som varigheten av stimuleringen). Dette står i kontrast til "off-line" TMS som innebærer enten lange kjøringer av lavfrekvent stimulering 21 eller korte støt med mønstrede stimulering 26 før du starter en oppgave. I off-line TMS virkningene siste brønnen utover varigheten av TMS programmet selv. Denne artikkelen fokuserer utelukkende på tilnærming "on-line".
De første trinnene i å forberede noe TMS eXperiment er identifisering av en stimulering protokollen og velge en lokaliseringsmetode. Stimulerings parametrene inkluderer intensitet, hyppighet og varighet av TMS og er begrenset av internasjonalt definerte sikkerhetskrav 27,28. Hver TMS forsøket krever også en egnet lokalisering fremgangsmåte for posisjonering og orientering av spolen nøyaktig over stimulering side. Lokalisering kan være basert på standard rom koordinatene 29 eller 10 – 20 lokalisering system 30, men vanligvis er tilpasset hver enkelt deltaker 31. For sistnevnte, er det mange alternativer som inkluderer målretting stimulering basert på den enkeltes anatomi 32, funksjonelt lokalisere ved hjelp av fMRI 33 eller funksjonelt lokalisere ved hjelp av TMS 34. Protokollen som presenteres her forfekter funksjonell lokalisering med TMS som en del av en generell protokoll for on-line TMS eksperimenter. Da et illustrerende eksempel er vist hvordan TMS kan benytteså undersøke funksjonelle bidrag fra venstre supramarginal gyrus (SMG) til fonologisk prosessering i lesing.
Denne artikkelen presenterer en protokoll for vurdering av årsaks og tidsmessige involvering av hjerneregioner i kognitive prosesser ved hjelp av online TMS. Denne diskusjonen fremhever første de viktige skritt for å skape en vellykket TMS protokoll og deretter de begrensninger som må vurderes når man designer en TMS eksperiment.
Fordi TMS protokoller har et stort antall frie parametre, noe som sikrer optimale stimuleringsparametere er et kritisk steg i forberedelsene en TMS eksperiment. Vanligvis blir dette oppnådd ved omfattende testing pilot for å fastslå stimulering frekvens, varighet, intensitet, inter-prøveintervall, og spoleretningen er nødvendig for å gi robuste effekter. For å opprette en effektiv "virtuell lesjon" frekvensen må indusere en robust effekt som dekker et tilstrekkelig stort tidsvindu til å omfatte den kognitive prosessen med interesse. Som et resultat av både frekvens og varighet varierer fra studier. Tilsvarende & #8220; riktig "stimuleringsintensitet er en som sikrer at magnetfeltet påvirker nerve behandlingen i målet hjerneregion, og her er den viktigste faktoren er avstanden fra spolen til stimulering side 51.. Mange studier identifisere intensiteten av stimuleringen er nødvendig for å produsere en motorisk respons ved å stimulere hånd område av primær motor cortex og bruke denne til å normalisere intensiteten på tvers av deltakerne 52,53-55. Dette tiltaket er imidlertid ikke en pålitelig indeks over den optimale intensiteten for ikke-motoriske områder 42,51,56. Et annet alternativ er å bruke samme intensitet for alle deltakerne. Det valgte intensitet bør være effektiv i alle pilot fag etter å eksperimentere med en rekke stimuleringsintensitet. I tillegg, er spoleretningen en viktig parameter som krever behandling. Den spesifikke spole orientering påvirker fordelingen av det induserte elektriske feltet innenfor den stimulerte neuronal populasjon, og kan derfor påvirke BehaVIOR. Generelt kan publiserte protokoller gir et utgangspunkt som er iterativt endret under pilottesting som passer den spesifikke eksperiment. Ofte, men informasjon om dette pilottesting er utelatt fra den endelige manuskriptet, som har den uheldige effekten av å skjule noen viktige aspekter av protokollen designprosessen.
Valg av en lokaliseringsprosedyre er også viktig for å sikre at stimulering administreres til den optimale område. Selv om mange studier har blitt lokalisert stimulering områder ved hjelp anatomi-baserte metoder som er rettet mot et enkelt sted på tvers av de enkelte deltakerne 57,58, tilpasse stimulering stedet for hvert fag individuelt reduserer mellom-faget variasjon i atferdsmessige resultater som gir en mer effektiv metode 31. Her presenterte vi en TMS-basert funksjonell lokalisering prosedyre som gir fordeler i forhold fMRI-basert lokalisering. Nærmere bestemt, det unngår problemet med forskjellige romlige skjevheter væretween fmri (dvs. drenering årer 59) og TMS (dvs. orienteringen av aksoner i magnetfeltet 6,60) som kan resultere i den samme neural respons blir lokalisert på forskjellige steder. I tillegg er det vel kjent at den spesifikke plasseringen av aktiverings "toppene" i fmri kan variere betydelig, slik at de sub-optimal TMS som er rettet mot 55,61. Ikke desto mindre, en rekke forskjellige lokaliserings prosedyrer er påviselig effektive, slik at det spesifikke valget er mindre viktig for at sikre at hvilken som helst metode benyttes gir pålitelige, reproduserbare virkning.
Selv om eksperimentet data presenteres her brukt reaksjonstider som avhengig tiltaket, er det mange andre alternativer tilgjengelig. For eksempel, noen studier bruker nøyaktighet i stedet 9,12,62. I disse tilfellene er normal ytelse uten TMS allerede under tak nivåer, slik at avbrudd indusert ved stimulering gjenspeiles i nøyaktigheten score.Andre studier har målt virkningene av stimulering med øyebevegelser 63,64. Mest kognitiv nevrovitenskap eksperimenter med TMS imidlertid bruke reaksjonstider som deres avhengige tiltak 13,48,65,66. Vanligvis effekten er av størrelsesorden flere titalls millisekunder, eller omtrent en 10% endring i reaksjonstider 67. Uansett avhengige tiltaket brukes bør være robust og konsistent, slik at relativt små endringer kan lett observeres.
Som enhver eksperimentell teknikk, har TMS viktige begrensninger som må vurderes når du velger denne metoden. De mest vanlige er: i) den romlig oppløsning på TMS, ii) de ikke-spesifikke effekter assosiert med stimulering, og iii) sikkerhetsaspekter av metodikken. For det første har TMS en begrenset dybde på stimulering fordi magnetfeltet reduseres i intensitet jo lenger unna det fra spolen. Derfor er det mest effektiv på å stimulere hjernen regioner nær hodebunnen (~ 2 – 3 cm) 68,69 </sup> Og er ineffektive i å stimulere dype strukturer i hjernen. Som et resultat, er de eneste områder direkte adgang til TMS begrenset til det kortikale mantelen, selv om forskjellige formede spoler blir utviklet for å nå dypere områder som i basalgangliene 69.. TMS har også en romlig oppløsning på ca 0.5 – 1 cm 47,70-72. Således kan fremgangsmåten ikke benyttes til å undersøke de funksjonelle bidrag fra finkornede romlige strukturer som kortikale kolonner.
En andre begrensning av TMS er at stimulering innfører samtidige sensoriske bivirkninger som følge av den hurtig skiftende magnetfelt. Mest spesielt er hver magnetisk puls ledsaget av en auditiv klikk og en tappe sensasjon. Derfor TMS kan være upassende for enkelte auditive eller somatosensoriske eksperimenter hvor disse bivirkningene kan forstyrre utførelsen av oppgaver. Vær imidlertid oppmerksom på at online TMS har vært brukt med hell i enkelte auditive eksperimenter 73,74 </sopp> og er derfor mulig i det minste i noen oppgaver. Et annet hensyn er at intensiteten av de sensoriske virkninger varierer mellom hode steder. For eksempel vil stimulering som blir administrert til et sted i nærheten av øret høres høyere enn steder lenger unna. Tilsvar flere ventral steder på hodet produsere større muskel sammentrekning enn rygg områder 75,76. Fordi disse områdeforskjeller kan indusere eksperimentelle forundrer, er det viktig å bruke enten en kontrollside med lignende bivirkninger til de viktigste området som kontralaterale homologues 77 eller inkludere kontroll vilkår / oppgaver som ikke tappe inn i prosessen med interesse 24,62 , 73,78,79.
Til slutt må sikkerhetsmessige hensyn alltid tas i betraktning når man utformer TMS eksperimenter som det kan potensielt indusere synkope og kramper 27. For å minimere denne risikoen, internasjonalt aksepterte retningslinjer for stimulering intensitet, hyppighet og varighet exists, så vel som for det totale antall pulser og mellomprøveintervaller 27,28. Protokoller som holder seg innenfor disse retningslinjene antas å være trygt for nevrologisk normale deltakere. Det er verdt å merke seg imidlertid at disse er ennå ikke avsluttede og som ofte romanen TMS protokoller er innført som også bevise trygt. Generelt tyder bevisene på at når publiserte retningslinjer blir fulgt, er TMS en sikker prosedyre med ingen farlige bivirkninger. En konsekvens av disse grensene, er imidlertid at atferdsmessige protokoller vil ofte må justeres før de kan brukes med TMS. Dette har implikasjoner for flere aspekter ved utformingen, herunder lengden av forsøket, antall prøver, antall tilstander og stimulerings områder som kan testes. Noen av disse begrensningene kan overvinnes ved å dele eksperimentet i separate økter som for eksempel teste ulike stimulerings nettsteder på ulike dager. I slike tilfeller er det viktig å sikre at lokaliseringog testing av et nettsted er gjort innenfor den samme økten. Dette minimerer eksperimentelle avvik ved å maksimere nøyaktigheten av målretting. Når man beslutter å bruke en eller flere tester økten, er den grunnleggende begrensning sikkerheten til deltaker – spesifikt, hvor mye stimulering som er sikker i en enkelt økt. Den totale stimulering innebærer familiarisering, praksis, lokalisering (hvis du bruker TMS), og testing, potensielt over flere områder, og kritisk avhengig av antall forsøk per tilstand. Når dette tallet overstiger retningslinjene for en enkelt sesjon, er det nødvendig å bryte forsøket i flere sesjoner, utført i minst 24 timer fra hverandre. Det er ingen hard-og-rask regler vedrørende minimum antall forsøk er nødvendige for TMS eksperimenter, men som enhver eksperiment, kan disse bli beregnet ved hjelp av standard styrkeberegning basert på effektstørrelse, varians, α-nivå (typisk 0,05) og ønsket følsomhet. Ofte rimelige anslag påvirkningen størrelse og variansen er tilgjengelig som følge av den omfattende pilot tester gjort for å optimalisere den eksperimentelle protokollen.
Oppsummert har TMS blitt et viktig verktøy med brede programmer til kognitiv nevrovitenskap. Denne artikkelen gir en grunnleggende protokollen for online TMS i forbindelse med en atferds oppgave for å undersøke årsaks hjerne-atferdsrelasjoner både i "virtuelle lesjon"-modus, og også en kronometriske verktøy for å utforske de timelige dynamikken i regionalt spesifikke nevrale informasjonsbehandling.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne har ingen bekreftelser.
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) |