Dette papiret beskriver sanntids Elektroencefalogram-utløst Transkraniell magnetisk stimulering for å studere og modulere menneskelige hjerne nettverk.
Effekten av en stimulans til hjernen avhenger ikke bare av parametrene av stimulans, men også på dynamikken i hjernens aktivitet på tidspunktet for stimulering. Kombinasjonen av Elektroencefalogram (EEG) og Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) i en sanntids hjerne tilstand avhengig stimulering system tillater studiet av relasjoner av dynamikken i hjernens aktivitet, kortikale excitability, og plastisitet induksjon . Her viser vi en nyutviklet metode for å synkronisere timingen av hjernen stimulering med fasen av pågående EEG svingninger ved hjelp av en sanntids dataanalyse system. Dette sanntids EEG-utløst TMS av den menneskelige motor cortex, når TMS er synkronisert med overflaten EEG negative toppen av Sensorimotor μ-Alpha (8-14 Hz) rytme, har vist differensial kiropraktor excitability og plastisitet effekter. Utnyttelsen av denne metoden tyder på at sanntidsinformasjon om momentant hjerne tilstand kan brukes til effektiv plastisitet induksjon. I tillegg gir denne tilnærmingen personlig EEG-synkronisert hjerne stimulering som kan føre til utvikling av mer effektive terapeutiske hjernen stimulering protokoller.
TMS er en veletablert metode for ikke-invasiv hjerne stimulering og muliggjør spesifikk modulering av pågående nettverks dynamikk og studier av corticocortical og kiropraktor nevrale trasé med høy spatiotemporal presisjon1. Når stimulere den primære motor cortex (M1), kan den nevrale responsen bli kvantifisert som motor fremkalt potensialer (MEPs), samt TMS-fremkalt EEG potensialer. MEPs kan registreres av Elektromyografi (EMG) av målet muskler, og deres amplitude reflekterer kiropraktor excitability når stimulere den primære motor cortex2.
Til tross for det unike potensialet til ikke-invasiv hjerne stimulering som et vitenskapelig verktøy for å undersøke og modulere hjerne nettverk i friske studiedeltakere og hos pasienter, har TMS-studier stor variasjon i rettssaken mot prøving og intra-og interindividuelle av fremkalt respons3,4,5. Nærmere bestemt i TMS studier av kiropraktor excitability og plastisitet, MEP svar, samt indusert langsiktige potensiering (LTP)-eller langsiktig depresjon (LTD)-lignende plastisitet, viser høy iboende variasjon, selv når stimulans parametrene er nøye kontrollert3,4. Men bevis fra dyrestudier tyder på at den observerte variasjonen i responsen ikke er knyttet til “tilfeldig støy”, men er i stedet knyttet til den varierende hjernen statene på tidspunktet for stimulering6. Følgelig, ved å kombinere TMS med EEG i en real-time Brain-State-avhengige stimulering paradigme (dvs. EEG-utløst TMS), den varierende momentant hjernen staten kan brukes til å optimalisere stimulans timing7,8, 9 andre priser , 10i.
Flere studier har knyttet momentant fase av pågående neural svingninger å neuronal excitability bruker TMS-kompatible EEG systemer11,12. Moderne EEG forsterkere kan håndtere de store elektromagnetiske TMS-gjenstandene, og stadig veletablerte eksperimentelle protokoller eksisterer for kombinasjonen av EEG med TMS13,14 og post hoc fjerning av TMS-relaterte EEG gjenstander15,16. Mens påvirkning av prestimulus hjerne tilstand som vurdert av EEG på TMS-fremkalt respons kan vurderes med tilfeldig anvendte TMS stimuli som er sortert post hoc17,18, den repeterende anvendelse av TMS i en forhåndsdefinert hjernen staten krever Real-Time EEG-utløst TMS11,19.
Her, en egendefinert millisekunder-oppløsning EEG-utløst TMS oppsett brukes til å synkronisere TMS pulser med en forhåndsbestemt fase av pågående hjernen svingninger11, viser at den negative EEG-utslag av μ-alfa rytmen tilsvarer en høyere kortikale excitability State (fører til større MEP amplituder) i forhold til den positive EEG-utslag8,11,12,20. I dette manuskriptet, presenterer vi en metode for å gjennomføre Real-Time EEG-utløst TMS protokoller for å studere menneskelige hjernen nettverk.
Brain-State-avhengige EEG-utløst TMS er en ny metode med unike perspektiver med hensyn til effektivitet og konsistens av de påfølgende hjerne-stimulering effekter8,9,31. Den største fordelen med metoden er at en funksjonelt relevant endogene hjernen staten kan være spesielt målrettet for å utløse TMS puls, inducing potensielt mindre variabel og mer langvarig hjernen reaksjoner11. Real-Time EEG-utløst repeterende TMS i den negative fasen av Sensorimotor μ-rytmen av menneskelig M1 (dvs. staten økt kiropraktor excitability, figur 2) indusert betydelig sterkere LTP-lignende plastisitet (en langsiktig økning av MEP amplitude) sammenlignet med Brain-State-Independent TMS11,20. I tillegg til sin vitenskapelige nytte, anvendelsen av sanntids EEG-TMS å kortikale områder, slik som dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), har potensial til å øke effektiviteten av dagens terapeutiske hjernen stimulering protokoller.
I dette manuskriptet, presenterte vi metodisk skritt for gjennomføringen av Real-Time EEG-TMS. Grunnleggende krav til gjennomføring av eksperimenter med denne metoden er først, bruk av en TMS-kompatible EEG-systemet med en real-time digital ut alternativet, og andre, bruk av sanntids signalbehandling med gjennomføringen av en fase-deteksjon algoritme24, som trekker ut ønsket hjerne rytme (f. eks, Sensorimotor μ-rytme) fra det innspilte EEG-signalet ved hjelp av romlige filtre (f.eks. C3-sentrert Laplacian-filter) og påfører stimulering ved forhåndsvalgt forhold (dvs. fase og effekt av den målrettede hjerne rytmen) er oppfylt. Ytelsen og nøyaktigheten av algoritmen avhenge sterkt på SNR av EEG innspillingen20. Dermed er EEG Forberedelses trinnene i protokollen avgjørende for å oppnå høy SNR og sikre nøyaktig utløser av TMS, og en forhåndsvalg av deltakerne må kanskje vurderes dersom den respektive mål bevegelse ikke er tilstrekkelig synlig med EEG i hver enkelt. Videre er bruken av mekaniske støtte armer for spoler og vakuum puter for å nakkens deltakerens hode tilrådelig, for å minimere artefakter på grunn av varierende trykk på spolen på elektrodene.
Når det gjelder anvendelsen av Real-Time EEG-TMS metoden i eksperimentell paradigmer, valg av hjernen rytmen av interesse kan variere. Dermed er justeringer av filtrering tilrådelig å lette identifisering av målrettede hjernens aktivitet. Nylig har flere romlige filtreringsmetoder blitt foreslått å optimalt trekke ut en funksjonelt relevant hjernen tilstand (for eksempel i kanalen plass19, med dagens kilde tetthet13, med lokale romlige filtre11,28 og med tilpassede filtre ved hjelp av for eksempel nedbryting av romlig Spectral29). Likevel, så langt, finnes ingen utvetydig metode for å trekke ut fra overflaten EEG signaler (sensor plass) den virkelige hjerne-bevegelse fase (kilde plass). Fremtidige studier som vurderer korrespondanse av overflaten og kilde-plass signaler er garantert å forbedre presisjonen av sanntids EEG algoritmer.
Mens vi i denne protokollen har fokusert på 8-14-Hz Sensorimotor μ-rytme for å demonstrere innflytelsen av den momentant fasen av denne bevegelse på kiropraktor excitability, kan andre svingninger (f.eks. beta, theta eller infraslow svingninger) også spille en rolle. Denne metoden kan i prinsippet brukes til å målrette fasen for eventuelle pendling som kan isoleres med en tilstrekkelig SNR, inkludert flere lagt svingninger (for eksempel en negativ syklus av Alpha og en samtidig positiv toppen av gamma).
En hoved begrensning i Real-Time EEG-TMS eksperimenter er at spatiotemporal oppløsning med hensyn til hjernens kilder er sterkt avhengig av gjenstand forekomst og konsistens av stimulering. Derfor er en kritisk forutsetning for protokollen overvåking av ytelsen til algoritmen (dvs. sikre at stimulering skjer ved påvisning av neuronal og ikke artifactual aktivitet gjennom eksperimentet). Dessuten er utnyttelsen av neuronavigation for optimal og konsistent posisjonering av stimulering coil (spesielt i eksperimentell paradigmer ved hjelp av stimulering av nettsteder som DLPFC) nyttig for å redusere respons variasjonen på grunn av variasjon i spole posisjon. Merk også, som en ytterligere begrensning, som spesifikt valgt og konfigurert EEG/EMG, TMS, og sann tids behandling enheter er nødvendig, sammen med erfaring i å forberede og gjennomføre eksperimenter på en slik måte at for å minimere eksterne kilder til respons variasjon som kan maskere effekten av momentant hjerne-tilstand.
Avslutningsvis viste vi en standard protokoll for å gjennomføre sanntids EEG-TMS eksperimenter og introduserte en ny metode for å utnytte den endogene hjernen tilstander av interesse (dvs. forhåndsvalgt faser og kraften i en målrettet endogene hjernen pendling) å utløse hjerne stimulering. Videre forskning ved hjelp av Real-Time EEG-TMS metoden vil tillate metodisk forbedringer og tilrettelegge for utvikling av effektive protokoller for studiet og modulering av menneskelige hjernen nettverk.
The authors have nothing to disclose.
C.Z. erkjenner støtte fra terapeut forsker programmet ved det medisinske fakultet, Universitetet i Tübingen. U.Z. anerkjenner støtte fra German Research Foundation (Grant ZI 542/7-1). T.O.B. anerkjenner støtte fra German Research Foundation (Grant BE 6091/2-1). J.O.N. anerkjenner støtte fra akademiet i Finland (avgjørelser nr. 294625 og 306845). Forfatterne erkjenner støtte fra Open Access Publishing Fund ved Universitetet i Tübingen.
EEG and EMG recording systems | |||
EEG/EMG amplifier | NeurOne with Real-time Digital Out, Bittium Biosignals Ltd., Finland | ||
TMS device | MAG & More Research 100, MAG & More GmbH, Munich, Germany | ||
Software | Mathworks Simulink Real-Time (Mathworks Ltd, USA) | ||
Stereo infrared camera neuronavigation system including reflective head tracker, pointer tool, head tracker | |||
Experimental control PC that is connected to the EEG system, the TMS stimulator, the real-time device and the neuronavigation system | |||
EEG electodes, EMG electrodes, syringes, abrasive and conductive gel | |||
Plastic wrap and adhesive tape |