JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Neuroscience

Kombinerede transkranial magnetisk Stimulation og electroencefalografi i den Dorsolateral præfrontale Cortex

Published: August 17, 2018
doi:
10.3791/57983
, , , ,
1Temerty Centre for Therapeutic Brain Intervention at the Centre for Addiction and Mental Health, 2Department of Psychiatry and Institute of Medical Science, Faculty of Medicine,University of Toronto

Summary

Protokollen præsenteres her er om TMS-EEG undersøgelser udnytter intracortical ophidselse test-retest design paradigmer. Hensigten med protokollen er at producere pålidelige og reproducerbare kortikal ophidselse foranstaltninger til vurdering af neurofysiologisk funktion relateret til terapeutiske indgreb i behandlingen af neuropsykiatriske sygdomme som svær depression.

Abstract

Transkranial magnetisk stimulation (TMS) er en ikke-invasiv metode, der producerer neurale excitation i cortex ved hjælp af korte, tidsvarierende magnetfelt pulser. Indledningen af kortikale aktivering eller dens modulation afhænger af baggrunden aktivering af neuroner i regionen kortikale aktiveret, Karakteristik af spolen, sin position og sin orientering med hensyn til hovedet. TMS kombineret med samtidige electrocephalography (EEG) og neuronavigation (nTMS-EEG) giver mulighed for vurdering af cortico-kortikal ophidselse og tilslutningsmuligheder i næsten alle kortikale områder på en reproducerbar måde. Dette forskud gør nTMS-EEG et kraftfuldt værktøj, der kan præcist vurdere hjernens dynamik og neurofysiologi i test-retest paradigmer, der er nødvendige for kliniske forsøg. Begrænsninger af denne metode omfatter artefakter, der dækker den oprindelige hjernen reaktivitet til stimulation. Således kan processen med at fjerne artefakter også udtrække værdifulde oplysninger. Desuden, de optimale parametre for dorsolateral præfrontale (DLPFC) stimulation kendes ikke fuldt ud og nuværende protokoller udnytte variationer fra de motoriske cortex (M1) stimulation paradigmer. Udvikling nTMS-EEG designs håber dog at løse disse problemer. Protokollen præsenteres her introducerer nogle standard praksis for at vurdere neurofysiologiske funktion fra stimulation til den DLPFC, der kan anvendes hos patienter med behandling resistent psykiatriske lidelser, der modtager behandling som transkranial jævnstrøm stimulation (TDC’er), gentagen transkranial magnetisk stimulation (rTMS), magnetisk beslaglæggelse terapi (MST) eller elektrochok behandling (ECT).

Introduction

Transkranial magnetisk stimulation (TMS) er en neurofysiologisk værktøj, der giver mulighed for ikke-invasiv vurderingen af kortikale neuronal aktivitet ved hjælp af hurtige, tidsvarierende magnetfelt pulser1. Disse magnetfelt pulser fremkalde en svag strøm i den overfladiske cortex under spolen, hvilket fører til membran depolarisering. Efterfølgende kortikale aktivering eller graduering er direkte relateret til Karakteristik af spolen, dets vinkel og retning til kraniet2. Bølgeform pulsens udledes fra spolen og den underliggende tilstand af neuroner også indflydelse på det resulterende kortikale aktivering3.

TMS muliggør vurdering af kortikale funktioner af fremmane adfærdsmæssige eller motoriske svar eller gennem afbrydelse af opgaverelaterede behandling. Ophidselse af cortico-spinal processer kan evalueres gennem optagelse Elektromyografi (EMG) svar fremkaldte fra enkelt TMS pulser over den motoriske hjernebark, hvorimod intracortical excitatoriske (intracortical lettelse; ICF) og hæmmende mekanismer (korte og lange intracortical hæmning; SICI og LICI) kan blive aftestede med parret puls TMS. Gentagne TMS kan forstyrre forskellige kognitive processer, men bruges primært som et terapeutisk redskab for en bred vifte af neuropsykiatriske lidelser. Derudover kan kombination af TMS med samtidige electroencefalografi (TMS-EEG) bruges til at vurdere cortico-kortikal ophidselse og connectivity4. Endelig, hvis administrationen af TMS er leveret med neuronavigation (nTMS), det vil give mulighed for præcise test-retest paradigmer da det nøjagtige sted, stimulering kan registreres. De fleste af de kortikale kappen kan målrettes og stimuleret (herunder de områder, der ikke producerer målbare fysiske eller adfærdsmæssige reaktioner) således cortex kan være funktionelt kortlagt.

EEG-signalet fremkaldte fra enkelt eller parret puls TMS kan lette vurderingen af cortico-kortikale connectivity5 og den aktuelle tilstand af hjernen. TMS-induceret elektrisk strøm resulterer i handling potentialer, der kan aktivere synapser. Fordelingen af de postsynaptiske strømme kan optages gennem EEG6. EEG-signalet kan bruges til at kvantificere og Find synaptic nuværende distributioner gennem dipol modellering7 eller minimum-normen skøn8, når multikanals EEG er ansat, og med ledningsevne struktur af hovedet tegnede sig for. Kombinerede TMS-EEG kan være ansat til at studere kortikale hæmmende processer9, svingninger10, cortico-kortikale11 og interhemispheric interaktioner12og kortikale plasticitet13. Vigtigst af alt, kan TMS-EEG sonde ophidselse ændringer under kognitive eller motoriske opgaver med god test-retest pålidelighed14,15. Vigtigere, har TMS-EEG potentiale til at bestemme neurofysiologiske signaler, der kan tjene som prædiktorer for respons på terapeutiske interventioner (rTMS eller farmakologiske virkninger) i test-retest designs16,17.

Principperne om neuronavigation for TMS er baseret på principperne om rammeløse stereotaxy. Systemer brug en optisk tracking system18 der beskæftiger en lysemitterende kamera, som kommunikerer med lysreflekterende optiske elementer knyttet til både hoved (via en reference tracker) og TMS spolen. Neuronavigation giver mulighed for coil lokalisering på 3D-Mr model ved hjælp af en digitalisering referenceværktøj eller pen. Brugen af neuronavigation letter erobringen af coil orientering, placering og tilpasning til motivets hoved såvel digitalisering af EEG elektrode positioner. Disse funktioner er afgørende for test-retest design eksperimenter og for korrekt stimulering af en angivet placering inden for dorsolateral præfrontale cortex.

For at udnytte en TMS-EEG protokol i en test-retest eksperiment, der skal være præcis målretning og konsekvent stimulation af kortikale regionen at opnå pålidelige signaler. TMS-EEG optagelse kan være sårbare over for forskellige artefakter. TMS induceret artefakt på EEG elektroder kan filtreres med forstærkere, der kan genoprette efter en forsinkelse19,20 eller med forstærkere, der ikke kan være mættede21. Men andre typer af artefakt genereret ved øjenbevægelser eller blinker, kraniel muskel aktivering i nærhed af EEG elektroder, tilfældige elektrode bevægelse og deres polarisering og spolen klik eller somatiske sensation skal tages i betragtning. Omhyggelig emne forberedelse, der sikrer elektrode impedances under 5 kΩ, immobilisering af spolen over elektroderne og en skum mellem coil og elektroder til at reducere vibrationer (eller en spacer til at fjerne lav frekvens artefakter22), ørepropper og endda auditive maskering bør anvendes til at minimere disse artefakter23. Protokollen præsenteres her introducerer en standardproces til vurdering af neurofysiologisk funktion når stimulation anvendes over den dorsolateral præfrontale (DLPFC). Der er fokus på fælles parret puls paradigmer, der er blevet valideret i undersøgelser af M19,15,16.

Protocol

Alle de eksperimentelle procedurer præsenteres her er blevet godkendt af vores lokale etiske udvalg efter retningslinjerne i Helsinki-erklæringen. 1. hoved registrering for Neuronavigated TMS — EEG Opnå en høj opløsning hele hovedet T1-vægtet strukturelle Mr for hver deltager. Skan ifølge retningslinjerne neuronavigation producent. Uploade billeder på navigationssystemet. Kontrollere hvis MRIs scannes korrekt. Vælg kardinalpunkter (pre auricular point, nasion og …

Representative Results

Figur 1 A illustrerer TMSevoked potentialer efter DLPFC stimulation over F3 elektrode efter averaging 100 epoker fra hver session for en sund volontør. I denne illustration fremhæver vi effekten af CS på TS i forhold til enkelt puls betingelse når TS anvendes alene. CS modulerer N100 fordrejning på en tydelig måde selv i et emne. SICI og LICI-sessioner, N100 øges normalt og i ICF falder i absolutte værdier i forhold til SP betingelse<…

Discussion

TMS-EEG giver mulighed for direkte og noninvasive stimulering af de fleste kortikale områder og erhvervelse af de resulterende neuronal aktivitet med meget god spatio-temporal opløsning30, især når neuronavigation er udnyttet. Fordelen ved denne metodologiske advance er faktum, at TMS-fremkaldte EEG signaler stammer fra den elektriske neurale aktivitet og det er et indeks over cortico-kortikal ophidselse. Dette har stort potentiale i neuropsykiatriske patientgrupper, hvor TMS-EEG kan bruges so…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde var delvis finansieret af NIMH R01 MH112815. Dette arbejde blev også støttet af Temerty Family Foundation, Grant Family Foundation og Campbell familie Mental Health Research Institute på Center for afhængighed og Mental sundhed.

Materials

CED Micro1401-3 Cambridge Electronic Design Limited CED Micro1401-3 Digital Data Recocrder
BISTIM'2 Package Option 1 Magstim 3234-00 TMS paired pulse stimulator
Magstim 200'2 Unit (2 items) Magstim 3010-00 TMS stimulators
UI controller Magstim 3020-00 TMS controller
BISTIM'2 UI controller Magstim 3021-00 TMS controller
BISTIM connecting module Magstim 3330-00 TMS connecting module
D70 Alpha Coil – P/N 4150-00 (Alpha 70mm double coil) Magstim 4150-00 TMS coil
Brainsight Rogue-Resolutions Brainsight 2 Neuronavigator
Model 2024F Intronix 2024F Electromyograph
Neuroscan SynAmps RT 64 channel System Compumedics Neuroscan 9032-0010-01 Electroencephalograph
Quick-Cap electrode system 64 Compumedics Neuroscan 96050255 EEG Cap
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Barker, A. T., Jalinous, R., Freeston, I. L. Non-invasive magnetic stimulation of human motor cortex. Lancet. 1 (8437), 1106-1107 (1985).
  2. Ilmoniemi, R. J., Ruohonen, J., Karhu, J. Transcranial magnetic stimulation–a new tool for functional imaging of the brain. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 27 (3-5), 241-284 (1999).
  3. Matthews, P. B. The effect of firing on the excitability of a model motoneurone and its implications for cortical stimulation. The Journal of Physiology. 518, 867-882 (1999).
  4. Casali, A. G., Casarotto, S., Rosanova, M., Mariotti, M., Massimini, M. General indices to characterize the electrical response of the cerebral cortex to TMS. NeuroImage. 49 (2), 1459-1468 (2010).
  5. Massimini, M., Ferrarelli, F., Huber, R., Esser, S. K., Singh, H., Tononi, G. Breakdown of cortical effective connectivity during sleep. Science. 309 (5744), 2228-2232 (2005).
  6. Ilmoniemi, R. J., et al. Neuronal responses to magnetic stimulation reveal cortical reactivity and connectivity. Neuroreport. 8 (16), 3537-3540 (1997).
  7. Scherg, M., Ebersole, J. S. Models of brain sources. Brain Topography. 5 (4), 419-423 (1993).
  8. Hämäläinen, M. S., Ilmoniemi, R. J. Interpreting magnetic fields of the brain: minimum norm estimates. Medical & Biological Engineering & Computing. 32 (1), 35-42 (1994).
  9. Daskalakis, Z. J., Farzan, F., Barr, M. S., Maller, J. J., Chen, R., Fitzgerald, P. B. Long-interval cortical inhibition from the dorsolateral prefrontal cortex: a TMS-EEG study. Neuropsychopharmacology: Official Publication of the American College of Neuropsychopharmacology. 33 (12), 2860-2869 (2008).
  10. Rosanova, M., Casali, A., Bellina, V., Resta, F., Mariotti, M., Massimini, M. Natural frequencies of human corticothalamic circuits. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 29 (24), 7679-7685 (2009).
  11. Groppa, S., Muthuraman, M., Otto, B., Deuschl, G., Siebner, H. R., Raethjen, J. Subcortical substrates of TMS induced modulation of the cortico-cortical connectivity. Brain Stimulation. 6 (2), 138-146 (2013).
  12. Borich, M. R., Wheaton, L. A., Brodie, S. M., Lakhani, B., Boyd, L. A. Evaluating interhemispheric cortical responses to transcranial magnetic stimulation in chronic stroke: A TMS-EEG investigation. Neuroscience Letters. 618, 25-30 (2016).
  13. Chung, S. W., et al. Demonstration of short-term plasticity in the dorsolateral prefrontal cortex with theta burst stimulation: A TMS-EEG study. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 128 (7), 1117-1126 (2017).
  14. Lioumis, P., Kicić, D., Savolainen, P., Mäkelä, J. P., Kähkönen, S. Reproducibility of TMS-Evoked EEG responses. Human Brain Mapping. 30 (4), 1387-1396 (2009).
  15. Farzan, F., et al. Reliability of long-interval cortical inhibition in healthy human subjects: a TMS-EEG study. Journal of Neurophysiology. 104 (3), 1339-1346 (2010).
  16. Cash, R. F. H., et al. Characterization of Glutamatergic and GABAA-Mediated Neurotransmission in Motor and Dorsolateral Prefrontal Cortex Using Paired-Pulse TMS-EEG. Neuropsychopharmacology: Official Publication of the American College of Neuropsychopharmacology. 42 (2), 502-511 (2017).
  17. Premoli, I., et al. TMS-EEG signatures of GABAergic neurotransmission in the human cortex. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 34 (16), 5603-5612 (2014).
  18. Wiles, A. D., Thompson, D. G., Frantz, D. D. Accuracy assessment and interpretation for optical tracking systems. SPIE. 5367, 421-433 (2004).
  19. Iramina, K., Maeno, T., Nonaka, Y., Ueno, S. Measurement of evoked electroencephalography induced by transcranial magnetic stimulation. Journal of Applied Physics. 93 (10), 6718-6720 (2003).
  20. Virtanen, J., Ruohonen, J., Näätänen, R., Ilmoniemi, R. J. Instrumentation for the measurement of electric brain responses to transcranial magnetic stimulation. Medical & Biological Engineering & Computing. 37 (3), 322-326 (1999).
  21. Ives, J. R., Rotenberg, A., Poma, R., Thut, G., Pascual-Leone, A. Electroencephalographic recording during transcranial magnetic stimulation in humans and animals. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 117 (8), 1870-1875 (2006).
  22. Ruddy, K. L., Woolley, D. G., Mantini, D., Balsters, J. H., Enz, N., Wenderoth, N. Improving the quality of combined EEG-TMS neural recordings: Introducing the coil spacer. Journal of Neuroscience Methods. 294, 34-39 (2017).
  23. Massimini, M., et al. Cortical reactivity and effective connectivity during REM sleep in humans. Cognitive Neuroscience. 1 (3), 176-183 (2010).
  24. Yousry, T. A., et al. Localization of the motor hand area to a knob on the precentral gyrus. A new landmark. Brain: A Journal of Neurology. 120, 141-157 (1997).
  25. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  26. Chen, R., et al. Intracortical inhibition and facilitation in different representations of the human motor cortex. Journal of Neurophysiology. 80 (6), 2870-2881 (1998).
  27. Saisane, L., et al. Short- and intermediate-interval cortical inhibition and facilitation assessed by navigated transcranial magnetic stimulation. Journal of Neuroscience Methods. 195 (2), 241-248 (2011).
  28. Ferreri, F., et al. Human brain connectivity during single and paired pulse transcranial magnetic stimulation. NeuroImage. 54 (1), 90-102 (2011).
  29. Premoli, I., et al. Characterization of GABAB-receptor mediated neurotransmission in the human cortex by paired-pulse TMS-EEG. NeuroImage. 103, 152-162 (2014).
  30. Rogasch, N. C., Fitzgerald, P. B. Assessing cortical network properties using TMS-EEG. Human Brain Mapping. 34 (7), 1652-1669 (2013).
  31. Ilmoniemi, R. J., Kicić, D. Methodology for combined TMS and EEG. Brain Topography. 22 (4), 233-248 (2010).
  32. Peterchev, A. V., D’Ostilio, K., Rothwell, J. C., Murphy, D. L. Controllable pulse parameter transcranial magnetic stimulator with enhanced circuit topology and pulse shaping. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056023 (2014).
  33. Fecchio, M., et al. The spectral features of EEG responses to transcranial magnetic stimulation of the primary motor cortex depend on the amplitude of the motor evoked potentials. PLOS ONE. 12 (9), 0184910 (2017).
  34. Saari, J., Kallioniemi, E., Tarvainen, M., Julkunen, P. Oscillatory TMS-EEG-Responses as a Measure of the Cortical Excitability Threshold. IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering: a publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 26 (2), 383-391 (2018).
  35. Fox, M. D., Liu, H., Pascual-Leone, A. Identification of reproducible individualized targets for treatment of depression with TMS based on intrinsic connectivity. NeuroImage. 66, 151-160 (2013).
  36. Casarotto, S., et al. Transcranial magnetic stimulation-evoked EEG/cortical potentials in physiological and pathological aging. Neuroreport. 22 (12), 592-597 (2011).
  37. Casarotto, S., et al. EEG responses to TMS are sensitive to changes in the perturbation parameters and repeatable over time. PloS One. 5 (4), 10281 (2010).
  38. Wu, W., et al. ARTIST: A fully automated artifact rejection algorithm for single-pulse TMS-EEG data. Human Brain Mapping. , (2018).
  39. Mutanen, T. P., Metsomaa, J., Liljander, S., Ilmoniemi, R. J. Automatic and robust noise suppression in EEG and MEG: The SOUND algorithm. NeuroImage. 166, 135-151 (2018).
  40. Ilmoniemi, R. J., et al. Dealing with artifacts in TMS-evoked EEG. Conference proceedings: …Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Annual Conference. 2015, 230-233 (2015).
  41. Rogasch, N. C., et al. Removing artefacts from TMS-EEG recordings using independent component analysis: importance for assessing prefrontal and motor cortex network properties. NeuroImage. 101, 425-439 (2014).
  42. Mutanen, T. P., Kukkonen, M., Nieminen, J. O., Stenroos, M., Sarvas, J., Ilmoniemi, R. J. Recovering TMS-evoked EEG responses masked by muscle artifacts. NeuroImage. 139, 157-166 (2016).
  43. Farzan, F., Vernet, M., Shafi, M. M. D., Rotenberg, A., Daskalakis, Z. J., Pascual-Leone, A. Characterizing and Modulating Brain Circuitry through Transcranial Magnetic Stimulation Combined with Electroencephalography. Frontiers in Neural Circuits. 10, 73 (2016).
  44. Casula, E. P., Pellicciari, M. C., Picazio, S., Caltagirone, C., Koch, G. Spike-timing-dependent plasticity in the human dorso-lateral prefrontal cortex. NeuroImage. 143, 204-213 (2016).
  45. Noda, Y., et al. Characterization of the influence of age on GABAA and glutamatergic mediated functions in the dorsolateral prefrontal cortex using paired-pulse TMS-EEG. Aging. 9 (2), 556-572 (2017).
  46. Fitzgerald, P. B., Maller, J. J., Hoy, K., Farzan, F., Daskalakis, Z. J. GABA and cortical inhibition in motor and non-motor regions using combined TMS-EEG: a time analysis. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 120 (9), 1706-1710 (2009).

Tags

Keywords: Transcranial Magnetic StimulationElectroencephalographyDorsolateral Prefrontal CortexNeurophysiologyPsychiatryCortical ExcitabilityMRITMS CoilEEGEMG
check_url/57983?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Lioumis, P., Zomorrodi, R., Hadas, I., Daskalakis, Z. J., Blumberger, D. M. Combined Transcranial Magnetic Stimulation and Electroencephalography of the Dorsolateral Prefrontal Cortex. J. Vis. Exp. (138), e57983, doi:10.3791/57983 (2018).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image