Estrazione Potenziali visivi evocati da EEG dati registrati durante fMRI-guidata Stimolazione Magnetica Transcranica
Summary
Questo documento descrive un metodo per la raccolta e l'analisi dei dati elettroencefalografia (EEG) durante la concomitante stimolazione magnetica transcranica (TMS), guidato da attivazioni rivelati con la risonanza magnetica funzionale (fMRI). Un metodo per la rimozione manufatto TMS e l'estrazione dei potenziali evento correlati è descritto come pure considerazioni nella progettazione paradigma e setup sperimentale.
Abstract
Stimolazione Magnetica Transcranica (TMS) è un metodo efficace per stabilire un nesso causale tra una zona corticale e effetti cognitivi / neurofisiologici. In particolare, creando un disturbo transitorio con la normale attività di una regione bersaglio e le variazioni di un segnale elettrofisiologico misura, possiamo stabilire un nesso causale tra la zona del cervello stimolata o di rete e il segnale elettrofisiologico che registriamo. Se le aree cerebrali bersaglio sono funzionalmente definiti con prima scansione fMRI, TMS potrebbe essere utilizzato per collegare le attivazioni fMRI con i potenziali evocati registrati. Tuttavia, lo svolgimento di tali esperimenti presenta notevoli difficoltà tecniche date le alte manufatti ampiezza introdotte nel segnale EEG per l'impulso magnetico, e la difficoltà di indirizzare con successo le aree che sono state funzionalmente definiti da fMRI. Qui si descrive un metodo per combinare questi tre strumenti comuni: TMS, EEG e fMRI. Vi spieghiamo come guidare lo stimolatore & #39; s bobina nell'area di destinazione desiderata utilizzando dati MRI anatomiche o funzionali, come registrare EEG durante concorrente TMS, come progettare uno studio ERP adatto per EEG-TMS combinazione e come estrarre ERP affidabile dai dati registrati. Forniremo risultati rappresentativi da uno studio pubblicato in precedenza, in cui TMS fMRI-guidato è stato usato in concomitanza con EEG per dimostrare che la faccia N1-selettivo e la componente N1 corpo-selettiva del ERP sono associati a reti neurali distinti nella corteccia extrastriata. Questo metodo ci permette di combinare l'alta risoluzione spaziale della fMRI con l'alta risoluzione temporale di TMS ed EEG, e quindi ottenere una comprensione completa delle basi neurali dei vari processi cognitivi.
Introduction
Stimolazione Magnetica Transcranica (TMS) genera interferenze momentaneo alla normale attività neurale nelle aree target del cervello. Con la creazione di questa interferenza neurale transitoria e misurare un cambiamento comportamentale o fisiologico, possiamo tracciare un nesso causale tra la zona di destinazione e l'effetto sperimentale misurata (per una rassegna vedi Pascual-Leone et al. Ed Taylor et al. 1,2). Tale effetto sperimentale può essere, per esempio, una esecuzione su un compito cognitivo o cambiamenti di elettrofisiologico (EEG) attività. Infatti, negli ultimi anni, i ricercatori hanno iniziato a utilizzare TMS in combinazione con EEG di relazionarsi direttamente aree corticali con potenziali evento-correlati (ERP) o modelli di attività oscillatori (ad esempio 2-7). In questo documento metodologico descriveremo un quadro particolare e utile per combinare TMS ed EEG: fMRI, TMS guidata durante un esperimento ERP. In primo luogo, ci saranno i dettagli come applicare TMS alle aree predefinite dal fMRI, durante la registrazione di dati EEG. Abbiamo poi descrivere un progetto sperimentale che consente l'estrazione di ERP affidabile. L'obiettivo di questo esperimento è quello causalmente link di aree del cervello con la risonanza magnetica funzionale ha rivelato ai componenti ERP di interesse. Infine, daremo un esempio specifico di uno studio relativo viso e corpo ERP selettiva con viso e corpo aree selettive che si rivelano con fMRI.
Qual è il vantaggio di collegare segnali EEG con attivazioni fMRI? EEG e fMRI sono comunemente strumenti utilizzati per misurare le risposte corticali di input visivo. Ad esempio, categoria-selettività in via visiva è stata valutata per le diverse categorie di oggetti visivi come facce, parti del corpo, e parole scritte, sia mediante ERP estratti da EEG 8,9 dati, e funzionale MRI 10-12. I segnali misurati da questi due strumenti di ricerca comuni sono, comunque, di natura fondamentalmente diversa. EEG trasporta informazioni su attività elettrica neurale con grande temporaleprecisione, ma molto bassa risoluzione spaziale e possono riflettere una miscela di molte fonti sottostanti separati. La fMRI fornisce una misura indiretta dell'attività neuronale basandosi sulle lenti cambiamenti emodinamici che si verificano durante la presentazione dello stimolo e / o esecuzione dell'attività, ma presenta questa attività con una risoluzione spaziale elevata. Stabilire una correlazione tra le due misure può quindi essere di grande interesse, ma è limitata in quanto non implica un nesso di causalità tra la risposta elettrofisiologica registrati cuoio capelluto e le aree rivelate con la risonanza magnetica funzionale. Anche quando misurata simultaneamente (es. 13-15), una relazione causale direzionale tra EEG e l'attività nelle aree corticali funzionalmente definita non può essere determinata. TMS è uno strumento che può aiutare raggiungere l'instaurazione di un rapporto tale causale.
Uno studio simultanea EEG-TMS è metodologicamente impegnativo, soprattutto a causa del manufatto alta tensione introdotto al segnale EEG by la stimolazione magnetica (vedi Figura 1, per una rassegna vedi Ilmoniemi et al. 16). Questo manufatto è composto da un soggiorno breve impulso legati disturbo transitorio, spesso seguita da una lenta artefatto secondario (o residuale) che può durare un paio di centinaia di millisecondi dopo l'impulso viene consegnato Figura 2A, escludendo in tal modo la maggior parte dei componenti ERP di interesse. Questo manufatto secondario può comprendere fonti meccanici quali correnti indotte dal impulsi magnetici nel cablaggio e il lento decadimento di queste correnti nella pelle, e fonti fisiologiche come attività muscolare sul cuoio capelluto e uditivo o potenziali evocati somatosensoriali suscitata dal funzionamento dei la bobina 17-20. Sebbene le fonti meccaniche di interferenza probabilmente producono artefatti ampiezza maggiore rispetto a quelle fisiologiche, questi diversi artefatti non possono essere separati, e l'esistenza di uno di essi nel segnale possono confondere i risultati. Un possibile modoluzione è l'applicazione di impulsi TMS ripetitivi prima EEG registrazione ("offline TMS"), al contrario di simultanea EEG-TMS. L'effetto inibitorio di tale protocollo sull'attività corticale persiste per alcuni minuti (e fino a mezz'ora) dopo la stimolazione, e EEG può essere misurato durante questa finestra temporale efficace e rispetto al basale, pre-TMS, dati EEG. Stimolazione ripetitiva, tuttavia, è per definizione privo di alta risoluzione temporale che linea TMS può offrire, in cui gli impulsi possono essere somministrati a una temporizzazione precisa rispetto al processo insorgenza alla risoluzione millisecondo. L'effetto di stimolazione ripetitiva può propagarsi attraverso connessioni corticali attraverso una zona più ampia di quella desiderata e quindi ridurre significativamente la risoluzione spaziale così.
Per usufruire sia della risoluzione spaziale e temporale che TMS può fornire, una combinazione di EEG-TMS simultanea può essere applicata. Tuttavia, questo richiede metodi per la rimozione di artefattigenerato dalla stimolazione magnetica sul segnale EEG. Molto poche soluzioni matematiche offline per la rimozione manufatto TMS sono stati proposti 16,21,22, anche se nessun metodo è concordato, e nessuno metodo può essere ottimale per tutti i disegni sperimentali. Un sistema di "clipping", costituito da un circuito sample-and-hold, è stata elaborata per interrompere momentaneamente acquisizione EEG TMS durante l'erogazione degli impulsi 20. Questa tecnica richiede non solo hardware specializzato, ma non può eliminare completamente i residui TMS manufatto. In questo articolo descriveremo un adattamento di una metodologia EEG-TMS sviluppato da Thut e colleghi 19, particolarmente adatto per gli studi ERP. Questa tecnica consente l'estrazione affidabile di ERP, eliminando tutti i componenti di rumore residui a causa di impulsi TMS Figura 2. Forniremo ulteriori indicazioni generali verso un successo EEG-TMS setup sperimentale.
Un'altra sfida in studi TMS i destinatarin questo documento metodologico è trovare la migliore posizione della bobina e l'angolo per un puntamento preciso della zona corticale desideri. Descriveremo l'uso di un sistema di navigazione stereotassica per COREGISTER testa del soggetto con le immagini di risonanza magnetica funzionale pre-acquisiti. Sebbene il sistema di navigazione può essere utilizzato per localizzare strutture cerebrali anatomicamente definiti, un targeting per fMRI-guidata è particolarmente utile in quanto per molte funzioni ed effetti sperimentali la posizione precisa di attivazione non può essere dedotta da soli marcatori anatomici. Per tali regioni funzionali di interesse (ROI), la definizione di un'area è resa per ciascun partecipante singolarmente.
Per illustrare tutto quanto sopra, forniremo un esempio di studio abbiamo condotto in precedenza, in cui EEG è stato registrato in concomitanza con TMS guidato da attivazioni fMRI 7. In questo studio, una doppia dissociazione è stato effettuato tra ERP faccia selettivi e corpo-selettiva: sebbene viso e corpo ERP pisellok intorno agli stessi siti di latenza e di elettrodi, concernenti i settori faccia selettive e body-selettivi definiti individualmente nel lobo occipitale laterale ci ha permesso di dissociare le reti neurali sottostanti ogni risposta ERP. Infine, cercheremo di dare consigli più generali per ottimizzare la registrazione EEG durante l'applicazione TMS.
Protocol
Representative Results
Discussion
Avere la capacità unica di interrompere momentaneamente l'attività neuronale normale in aree corticali selezionati, in precisi punti di tempo e con una relativamente buona precisione spaziale, TMS consente di collegare causalmente una zona del cervello stimolate con un comportamento o di una misura neurofisiologico. In questo articolo abbiamo descritto un metodo per misurare EEG durante concorrente applicazione TMS, il targeting aree corticali funzionalmente definiti, e l'applicazione di un'analisi che per…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vorremmo ringraziare David Pitcher per il suo prezioso contributo a questo esperimento TMS. Questa ricerca è stata finanziata da una borsa di studio presso l'Istituto Levie-Edersheim-Gitter per Brain Mapping a BS, una borsa di studio dalla Fondazione Wolfson; concede 65/08 e 1657-1608 dalla Fondazione di Scienza israeliano e una borsa di viaggio del ricercatore British Council Exchange Programme per GY L'esperimento è stato condotto presso l'Istituto Wohl for Advanced Imaging, Tel-Aviv Sourasky Medical Center.
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. |
Referências
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