Trekke Visual fremkalt respons fra EEG data registrert Under fMRI-guidet transkranial magnetisk stimulering

Summary

Dette notatet beskriver en metode for innsamling og analyse av elektroencefalografi (EEG) data ved samtidig transkranial magnetisk stimulering (TMS) guidet av aktive avslørt med funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI). En fremgangsmåte for TMS gjenstand fjerning og utvinning av hendelsesrelaterte potensialer er beskrevet, så vel som hensyn i paradigme utforming og eksperimentelle oppsettet.

Abstract

Transkranial magnetisk stimulering (TMS) er en effektiv metode for å etablere en årsakssammenheng mellom en cortical området og kognitive / nevrofysiologiske effekter. Nærmere bestemt ved å skape en forbigående forstyrrelse av normal aktivitet i et målområde og måling av endringer i en elektrofysiologisk signal, kan vi etablere en årsakssammenheng mellom den stimulert hjernen område eller nettverk og elektrofysiologisk signal om at vi registrerer. Hvis målet hjernen områder er funksjonelt definert med før fMRI skanning, kunne TMS brukes til å koble de fMRI aktive med fremkalt respons registrert. Men gjennomfører slike eksperimenter presenterer betydelige tekniske utfordringer gitt de høye amplitude gjenstander introdusert i EEG-signalet ved den magnetiske pulsen, og vanskelighetsgraden for å kunne målrette områder som ble funksjonelt definert av fMRI. Her beskriver vi en metode for å kombinere disse tre vanlige verktøy: TMS, EEG og fMRI. Vi forklarer hvordan du skal lede stimulator & #39, s spole til ønsket målområdet ved hjelp av anatomiske eller funksjonelle MR-data, hvordan å spille inn EEG ved samtidig TMS, hvordan man skal utforme et ERP studie som passer for EEG-TMS kombinasjon og hvordan du kan hente pålitelig ERP fra de registrerte data. Vi vil gi representative resultater fra en tidligere publisert studie, hvori fmri styrt TMS ble anvendt samtidig med EEG å vise at ansikts selektiv N1 og legemet selektiv N1 komponent av ERP er assosiert med distinkte nevrale nettverk i extrastriate cortex. Denne metoden gjør det mulig for oss å kombinere høy romlig oppløsning på fMRI med høy tidsoppløsning av TMS og EEG og dermed få en helhetlig forståelse av det nevrale grunnlaget for ulike kognitive prosesser.

Introduction

Transkranial magnetisk stimulering (TMS) genererer momentan forstyrrelser for normal nevral aktivitet i målområder i hjernen. Ved å opprette dette forbigående nevrale forstyrrelser og måle en atferds eller fysiologiske endringer, kan vi trekke en årsakssammenheng mellom målområdet og den målte eksperimentell effekt (for en gjennomgang se Pascual-Leone et al. Og Taylor et al. ^1,2). En slik eksperimentell virkning kan være, for eksempel, en ytelse på en kognitiv aktivitet eller en endring i elektrofysiologisk (EEG)-aktivitet. Faktisk, de siste årene har forskerne begynt å bruke TMS i kombinasjon med EEG å direkte relatere kortikale områder med hendelsesrelaterte potensialer (ERP) eller oscillasjon aktivitet mønstre (f.eks ^2-7). I denne metode papir vil vi beskrive en bestemt og nyttig rammeverk for å kombinere TMS og EEG: fMRI-guidet TMS under et ERP eksperiment. Først vil vi detalj hvordan du bruker TMS til områder som er forhåndsdefinert av FMRI, mens opptak EEG data. Vi vil da beskrive en eksperimentell design som gjør at utvinning av pålitelig ERP. Målet med et slikt eksperiment er å årsaks lenke hjernen områder avslørt med funksjonell MRI til ERP-komponenter av interesse. Til slutt, vil vi gi et konkret eksempel på en studie om ansikt og kropp selektiv Erps med ansikts-og kropps selektive områder som avdekkes med fMRI.

Hva er fordelen med å knytte EEG-signaler med fMRI aktiveringer? EEG og fMRI blir ofte brukt verktøy for å måle hjernebark respons på visuelle input. For eksempel ble kategori-selektivitet i visuelle veien vurderes for ulike visuelle objekt kategorier som ansikter, kroppsdeler, og skriftlige ord, både ved hjelp av ERP hentet fra EEG data ^8,9, og funksjonell MRI ^10-12. Signalene målt ved disse to vanlige forskning verktøyene er imidlertid av fundamentalt forskjellig art. EEG bærer informasjon om nevrale elektrisk aktivitet med stor tidsmessigpresisjon, men svært lav romlig oppløsning og kan reflektere en blanding av mange separate underliggende kilder. Den fmri gir et indirekte mål på neuronal aktivitet avhengig av den langsomme hemodynamiske forandringer som oppstår under stimulus presentasjon eller / og oppgave utførelse, men viser denne aktiviteten med en høyere romlig oppløsning. Etablering av en sammenheng mellom de to tiltakene kan derfor være av stor interesse, men er begrenset ved at det ikke innebærer en årsakssammenheng mellom hodebunnen-registrert elektrofysiologisk respons og områdene avslørt med funksjonell MRI. Selv når målt samtidig (f.eks ^13-15), kan en retningsårsaksforhold mellom EEG og aktivitet i funksjonelt definerte kortikale områder som ikke bestemmes. TMS er et verktøy som kan hjelpe til å oppnå etablering av et slikt årsakssammenheng.

En samtidig EEG-TMS studien er metodisk utfordrende, mest på grunn av den høye spenningen gjenstand introdusert til EEG-signalet by den magnetiske stimulering (se figur 1, for en gjennomgang se Ilmoniemi et al. ^16). Denne gjenstanden består av en forbigående kort levende puls relaterte forstyrrelser, ofte etterfulgt av en langsommere sekundær (eller rest) gjenstand som kan vare noen få hundre millisekunder etter at pulsen er levert Figur 2A, og dermed overstyre de fleste ERP-komponenter av interesse. Denne sekundære gjenstand kan omfatte mekaniske kilder som strømmer indusert av det magnetiske puls inn i ledningene og den langsomme nedbrytning av disse strømmene i huden, og fysiologiske kilder som muskelaktivitet over hele hodebunnen og hørbar eller somatosensoriske fremkalt respons utløst ved hjelp av driften av spolen ^17-20. Selv om de mekaniske forstyrrelseskilder sannsynligvis produsere større amplitude gjenstander enn de fysiologiske seg, kan disse forskjellige gjenstander ikke skal separeres, og eksistensen av en hvilken som helst av dem i signalet kan forvirre resultatene. En mulig sliklution er anvendelsen av repetitive TMS pulser før EEG opptak ("offline TMS"), i motsetning til samtidige EEG-TMS. Den hemmende effekten av en slik protokoll på kortikal aktivitet vedvarer i flere minutter (og opp til en halv time) etter stimulering, og EEG kan måles i løpet av dette tidsvinduet effektiv og sammenlignet med grunnlinjen, pre-TMS, EEG-data. Gjentatte stimulering, men er per definisjon mangler den høye tidsmessig oppløsning på at nettet TMS kan tilby, hvor pulser kan tilføres på en presis timing i forhold til prøve utbruddet ved millisekunds oppløsning. Effekten av gjentatt stimulering kan også forplante seg via kortikale forbindelser over et større område enn det ønskede og derfor i betydelig grad redusere den romlige oppløsning i tillegg.

For å dra nytte av både romlig og tidsmessig oppløsning som TMS kan gi, kan en samtidig EEG-TMS kombinasjon brukes. Imidlertid krever dette metoder for fjerning av gjenstandergenerert av den magnetiske stimulering på EEG-signalet. Svært få offline matematiske løsninger for TMS gjenstand fjerning har blitt foreslått ^16,21,22, selv om ingen metode er avtalt, og ingen metode kan være optimal for alle eksperimentelle design. A "klipping"-system, som består av en sample-and-hold-krets, er også utviklet for momentant å stoppe EEG anskaffelse under TMS pulsleverings 20. Denne teknikken er ikke bare krever spesialisert maskinvare, men kan ikke fullstendig fjerne det gjenværende TMS gjenstanden. I denne artikkelen vil vi beskrive en tilpasning av en EEG-TMS metodikk utviklet av Thut og kolleger ^19, spesielt egnet for ERP-studier. Denne teknikken gjør det mulig pålitelig utvinning av ERP mens eliminere alle de gjenværende støykomponentene forårsaket av TMS puls Figur 2. Vi vil videre gi generell veiledning mot en vellykket EEG-TMS eksperimentelle oppsettet.

En annen utfordring i TMS studier adressert in dette metodiske papiret er å finne den beste spiral posisjon og vinkel for en nøyaktig målretting av det ønskede cortical området. Vi skal beskrive bruk av et stereotaktisk navigasjonssystem for å coregister faget hode med de pre-ervervede funksjonelle MRI-bilder. Selv om navigasjonssystemet kan brukes til å lokalisere anatomisk definerte strukturer i hjernen, er en fMRI-guidet målretting spesielt nyttig siden for mange funksjoner og eksperimentelle effekter den nøyaktige plasseringen av aktivering kan ikke utledes fra anatomiske markører alene. For slike funksjonelle regioner av interesse (ROI), er definisjonen av et område gjort for hver deltaker individuelt.

For å illustrere alle de ovennevnte, vil vi gi et eksempel på en studie vi gjennomførte tidligere, der EEG ble tatt opp samtidig med TMS guidet av fMRI aktive ^7. I denne studien ble det en dobbel dissosiasjon mellom ansikt-selektive og kropps-selektiv Erps: selv om ansikt og kropp Erps ertk rundt de samme ventetid og elektrodestedene, målretting individuelt definerte ansikt-selektive og kropps-selektive områder i lateral occipital lobe aktivert oss til å distansere de nevrale nettverk bak hver ERP respons. Til slutt vil vi prøve å gi mer generelle råd for å optimalisere EEG opptak under TMS søknad.

Protocol

Eksperimentet er gjennomført i to separate økter. Under den første sesjonen en funksjonell MRI-eksperiment (eksempel en funksjonell retningsfyr) utføres for å fastlegge de ønskede TMS målområder på en individuell gjenstand basis. De fMRI Resultatene blir så matet inn i en stereotaktisk navigasjonssystem for en nøyaktig TMS målgruppe. Den andre sesjon holdes etter analyse av fMRI data, hvor EEG blir tatt opp samtidig med TMS. Protokollen er beskrevet her ble godkjent av den etiske komiteen i Tel-Aviv…

Representative Results

En samtidig EEG-TMS etterforskning ble brukt for å avdekke om de ERP reaksjoner på ansikter og kropper registrert over bakhode-temporal hodebunnen er dissosiert. Når visuelle stimuli presenteres, er en fremtredende N1 komponent innspilt på posterior-lateral elektrodestedene. I særdeleshet er den N1 komponent typisk større for ansikter og kropper enn til andre stimuleringskategorier 8,33. Ved å vurdere effekten av stimulering på ansikt og kropp-selektiv hjerneområder som er definert med fMRI på deres…

Discussion

Å ha den unike evnen til å midlertidig forstyrre normal neuronal aktivitet i utvalgte kortikale områder, i nøyaktige tidspunkter og med en relativt god romlig nøyaktighet, tillater TMS til årsaks koble en stimulert hjernen område med en atferds eller en nevrofysiologisk måling. I denne artikkelen beskrev vi en metode for å måle EEG ved samtidig TMS-program, rettet funksjonelt definerte kortikale områder, og bruke en analyse som gjør det mulig for en pålitelig måling av ERP svar. Vi ga et eksempel fra litte…

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.