גירוי מגנטי טראנס המשולבת ואת אלקטרואנצפלוגרם של קליפת המוח הקדם חזיתית דורסולטרלי
Summary
פרוטוקול המוצג כאן הוא ללימודי TMS EEG ניצול דעתנית intracortical הבחינה-הבחינה עיצוב פרדיגמות. הכוונה של הפרוטוקול היא לייצר דעתנית קורטיקלית לשחזור ואמין אמצעי להערכת neurophysiological תפקוד הקשורים התערבויות טיפוליות בטיפול של מחלות מנוטלי כמו דיכאון.
Abstract
גירוי מגנטי טראנס (אלקטרואנספלוגרם) היא שיטה לא פולשנית שמייצר עירור עצבית בקליפת באמצעות שדה מגנטי קצרה, משתנה הזמן פולסים. אתחול של הפעלת בקליפת המוח או אפנון שלה תלוי ההפעלה רקע של הנוירונים של אזור בקליפת המוח מופעל, המאפיינים של הסליל, מיקומו, ומגמתו ביחס בראש. TMS בשילוב סימולטני electrocephalography (EEG), neuronavigation (nTMS-EEG) מאפשר ההערכה של cortico-קורטיקלית דעתנית וקישוריות באזורים קורטיקליים כמעט כל באופן לשחזור. מראש זה הופך nTMS EEG כלי רב עוצמה יכול להעריך במדויק הדינאמיקה המוחית ונוירופיזיולוגיה בפרדיגמות הבחינה-הבחינה הדרושים לניסויים קליניים. מגבלות של שיטה זו כוללים ממצאים שמכסים את תגובתיות המוח ראשונית את גירוי. לפיכך, התהליך של הסרת לכלוכים יכול גם לחלץ מידע בעל ערך. יתר על כן, פרמטרים אופטימליים לגירוי (DLPFC) הקדם חזיתית דורסולטרלי לא ידועים במלואם, פרוטוקולים הנוכחי לנצל וריאציות של פרדיגמות גירוי קורטקס מוטורי (M1). עם זאת, מתפתחת עיצובים nTMS EEG מקווה לטיפול בבעיות אלה. פרוטוקול המובאת כאן מציג כמה נוהגים סטנדרט להערכת תפקוד neurophysiological של גירוי כדי DLPFC שניתן להחיל בחולים עם הפרעות פסיכיאטריות עמיד לטיפול, המקבלים טיפול כגון טראנס זרם ישיר גירוי (tDCS), גירוי מגנטי טראנס החוזרות על עצמן (rTMS), טיפול מגנטי התקף (MST) או נזעי חשמל (ECT).
Introduction
גירוי מגנטי טראנס (אלקטרואנספלוגרם) הוא כלי neurophysiological המאפשר להערכת פעילות. עצבית בקליפת המוח באמצעות שדה מגנטי מהירה, משתנה הזמן פולסים1לא פולשנית. אלה פולסים השדה המגנטי לגרום זרם חלש בקליפת שטחי מתחת הגליל אשר התוצאות ממברנה דפולריזציה. ההפעלה קורטיקלית שהתפתח או אפנון קשורה ישירות המאפיינים של הסליל, הזווית, כיוון הגולגולת2. צורת גל של הדופק שוחרר מן הגליל, המדינה הבסיסית של הנוירונים גם להשפיע על תוצאות הפעלת קורטיקלית3.
TMS מאפשר את ההערכה של פונקציות בקליפת המוח על-ידי לעורר תגובות התנהגותיות או מנוע או דרך ההפרעה של עיבוד הקשורות למשימות. ניתן להעריך את דעתנית של תהליכים cortico-השדרה דרך הקלטה תגובות (EMG) electromyographic ממיתוס פולסים TMS יחיד על קליפת המוח המוטורית, ואילו סינאפסות intracortical (ההנחיה intracortical; ICF) ומנגנונים מעכבות (עיכוב קצר, ארוך intracortical; SICI ו LICI) פתור עם דופק לזווג TMS. TMS שחוזרת על עצמה יכולה להפריע תהליכים קוגניטיביים שונים, אך משמשת בעיקר ככלי טיפולי עבור מגוון רחב של מנוטלי הפרעות. יתר על כן, השילוב של TMS עם סימולטני אלקטרואנצפלוגרם (TMS EEG) יכול לשמש כדי להעריך דעתנית וקישוריות קורטיקליים-cortico4. לבסוף, אם הממשל של TMS מועבר עם neuronavigation (nTMS), זה יאפשר הבדיקה מדויקת-הבחינה פרדיגמות מאז ניתן להקליט האתר המדויק של הגירוי. ניתן לפלח רוב המעטפת קורטיקלית, מגורה (כולל באותם אזורים שאינם מייצרים תגובות גופניות או התנהגותיות מדיד) ובכך קליפת ניתנת באופן פונקציונלי למיפוי.
האות EEG עורר מ דופק יחיד או מזווג TMS יכול להקל את ההערכה של קישוריות cortico-קורטיקלית5 , המצב הנוכחי של המוח. הזרם החשמלי TMS-induced תוצאות פוטנציאל פעולה לבצע הפעלה הסינפסות. ניתן להקליט את ההתפלגות של הזרמים postsynaptic EEG6. האות EEG ניתן לכמת ולאתר סינפטית הפצות הנוכחי דרך דיפול דגמי7 או אומדן מינימום-הנורמה8, כאשר מועסק EEG רב-ערוצי, ועם המבנה מוליכות של הראש דין וחשבון. TMS בשילוב-EEG יכול להיות מועסק ללמוד תהליכים מעכבות קורטיקלית9, תנודות10, cortico-קורטיקלית11 , אינטראקציות interhemispheric12ופלסטיות קורטיקלית13. והכי חשוב, TMS EEG יכול לחקור דעתנית שינויים במהלך משימות קוגניטיביות או מנוע עם מבחן טובה-הבחינה אמינות14,15. חשוב לציין, TMS EEG יש פוטנציאל כדי לקבוע אותות neurophysiological עשוי לשמש גורמים מנבאים בתגובה התערבויות טיפוליות (rTMS או אפקטים תרופתי) הבחינה-הבחינה עיצובים16,17.
העקרונות של neuronavigation עבור TMS מבוססת על העקרונות של stereotaxy ללא מסגרת. השימוש במערכות אופטי מעקב המערכת18 מעסיקה מצלמה פולט-אור, אשר מתקשר עם רכיבים אופטיים המשקף האור המצורפת בראש (באמצעות גשש הפניה) והן את הגליל TMS. Neuronavigation מאפשר לוקליזציה סליל על המודל MRI תלת-ממדי בעזרת טבלת הדיגיטציה כלי סימוכין או עט. השימוש neuronavigation מקלה על לכידתו של סליל כיוון, מיקום ויישור לראש של הנושא, כמו גם את הדיגיטציה של עמדות אלקטרודות EEG. תכונות אלה חיוניים עבור הבחינה-הבחינה עיצוב ניסויים, גירוי מדויק של מיקום שצוין בתוך נגמרה.
על מנת לנצל את פרוטוקול TMS EEG בניסוי הבחינה-הבחינה, שם צריך להיות פילוח מדויק וגירוי עקבית של אזור בקליפת המוח כדי לקבל אותות אמינים. הקלטה TMS EEG יכול להיות פגיע לחפצים שונים. ניתן לסנן את החפץ TMS המושרה על האלקטרודות EEG עם מגברים לשחזור לאחר עיכוב19,20 או עם מגברים זה לא יכול להיות רווי21. עם זאת, לחץ על סוגים אחרים של החפץ שנוצר על ידי תנועות עיניים או קריצות, הפעלת שרירים הגולגולת בסמיכות של אלקטרודות EEG, תנועה אקראית אלקטרודה, קיטוב שלהם, ועל ידי הסליל או תחושה סומאטית חייבים להילקח בחשבון. הכנת הנושא זהיר המבטיחה אלקטרודה impedances מתחת kΩ 5, קיבעון של הסליל האלקטרודות, קצף בין הסליל אלקטרודות להפחתת רעידות (או כרווח לסלק חפצים בתדר נמוך22), אטמי אוזניים ואף מיסוך השמיעה צריך לשמש כדי למזער את אלה חפצים23. פרוטוקול המובאת כאן מציג תהליך סטנדרטי להערכת תפקוד neurophysiological כאשר הגירוי מוחל על דורסולטרלי הקדם חזיתית (DLPFC). הדגש הוא על פרדיגמות דופק לזווג משותף יש כבר לאימות ללימודי M19,15,16.
Protocol
Representative Results
Discussion
TMS EEG מאפשר גירוי ישיר, לא פולשנית של אזורים קורטיקליים רוב רכישת הפעילות העצבית המתקבלת עם רזולוציה טובה מאוד-עתיים30, במיוחד כאשר neuronavigation הוא מנוצל. היתרון הזה מראש מתודולוגי הוא מבוסס על העובדה כי EEG עורר-TMS אותות שמקורם הפעילות החשמלית העצבית וזה אינדקס של cortico-קורטיקלית דעת…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מומן בחלקו על ידי NIMH R01 MH112815. עבודה זו גם נתמך על ידי קרן משפחת Temerty, קרן משפחת גרנט קמפבל המשפחה המוסד לבריאות הנפש מחקר במרכז להתמכרות ובריאות נפשית.
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 |
References
- Barker, A. T., Jalinous, R., Freeston, I. L. Non-invasive magnetic stimulation of human motor cortex. Lancet. 1 (8437), 1106-1107 (1985).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ilmoniemi, R. J., et al. Neuronal responses to magnetic stimulation reveal cortical reactivity and connectivity. Neuroreport. 8 (16), 3537-3540 (1997).
- Scherg, M., Ebersole, J. S. Models of brain sources. Brain Topography. 5 (4), 419-423 (1993).
- Hämäläinen, M. S., Ilmoniemi, R. J. Interpreting magnetic fields of the brain: minimum norm estimates. Medical & Biological Engineering & Computing. 32 (1), 35-42 (1994).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wiles, A. D., Thompson, D. G., Frantz, D. D. Accuracy assessment and interpretation for optical tracking systems. SPIE. 5367, 421-433 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Massimini, M., et al. Cortical reactivity and effective connectivity during REM sleep in humans. Cognitive Neuroscience. 1 (3), 176-183 (2010).
- 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).
- 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).
- Chen, R., et al. Intracortical inhibition and facilitation in different representations of the human motor cortex. Journal of Neurophysiology. 80 (6), 2870-2881 (1998).
- 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).
- Ferreri, F., et al. Human brain connectivity during single and paired pulse transcranial magnetic stimulation. NeuroImage. 54 (1), 90-102 (2011).
- Premoli, I., et al. Characterization of GABAB-receptor mediated neurotransmission in the human cortex by paired-pulse TMS-EEG. NeuroImage. 103, 152-162 (2014).
- Rogasch, N. C., Fitzgerald, P. B. Assessing cortical network properties using TMS-EEG. Human Brain Mapping. 34 (7), 1652-1669 (2013).
- Ilmoniemi, R. J., Kicić, D. Methodology for combined TMS and EEG. Brain Topography. 22 (4), 233-248 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Casarotto, S., et al. Transcranial magnetic stimulation-evoked EEG/cortical potentials in physiological and pathological aging. Neuroreport. 22 (12), 592-597 (2011).
- 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).
- Wu, W., et al. ARTIST: A fully automated artifact rejection algorithm for single-pulse TMS-EEG data. Human Brain Mapping. , (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
