Stimolazione Magnetica Transcranica per indagare le relazioni causali Brain-comportamentali e la loro Corso di Tempo

Questo articolo presenta un protocollo per valutare la causale e temporale coinvolgimento di regioni cerebrali nei processi cognitivi con TMS online. Questa discussione evidenzia i primi passaggi critici per la creazione di un protocollo TMS successo e poi le limitazioni che devono essere considerati quando si progetta un esperimento TMS.

Poiché protocolli TMS hanno un gran numero di parametri liberi, garantendo i parametri ottimali di stimolazione è una fase critica nella preparazione di un esperimento TMS. Normalmente, questo si ottiene tramite test pilota per determinare la frequenza di stimolazione, durata, intensità, inter-trial intervallo, e l'orientamento bobina necessaria per produrre effetti robusti. Per creare un efficace "lesione virtuale" la frequenza deve indurre un effetto robusto che copre una finestra temporale sufficientemente ampia da contenere il processo cognitivo di interesse. Come risultato, sia la frequenza e la durata variano attraverso studi. Analogamente, il & #8220; intensità di stimolazione giusta "è quella che assicura il campo magnetico influenza l'esecuzione neurale nella regione del cervello bersaglio e qui il fattore principale è la distanza dalla bobina al sito di stimolazione ^51. Molti studi identificano l'intensità di stimolazione necessaria per produrre una risposta motoria quando stimolando la zona mano di corteccia motoria primaria e utilizzare questo per normalizzare intensità di tutti i partecipanti ^52,53-55. Questa misura, tuttavia, non è un indice affidabile della intensità ottimale per le zone non auto ^42,51,56. Un'altra opzione è quella di utilizzare la stessa intensità per tutti i partecipanti. L'intensità scelto deve essere efficaci in tutte le materie pilota, dopo aver sperimentato con una gamma di intensità di stimolazione. Inoltre, l'orientamento bobina è un parametro importante che richiede considerazione. L'orientamento bobina specifica interessa la distribuzione del campo elettrico indotto nella popolazione neuronale stimolato e pertanto può influenzare BehaVior. In generale, protocolli pubblicati possono fornire un punto di partenza che è iterativamente modificato durante il test pilota secondo l'esperimento specifico. Spesso, tuttavia, le informazioni su questo test pilota viene omesso dal manoscritto finale, che ha l'effetto perverso di nascondere alcuni aspetti chiave del processo di progettazione del protocollo.

La scelta di una procedura di localizzazione è anche essenziale per garantire che la stimolazione è somministrato al sito ottimale. Anche se molti studi hanno localizzato con successo siti di stimolazione utilizzando metodi basati anatomia, che colpiscono una singola posizione di tutti i singoli partecipanti ^57,58, la personalizzazione del sito di stimolazione per ciascun soggetto riduce singolarmente tra i soggetti varianza nei risultati comportamentali che producono un metodo più efficiente ^31. Qui abbiamo presentato una procedura di localizzazione funzionale a base di TMS che offre vantaggi rispetto localizzazione basati su fMRI. In particolare, si evita il problema delle diverse polarizzazioni spaziali siatra fMRI (cioè, drenante vene ⁵⁹⁾ e TMS (cioè, l'orientamento degli assoni all'interno del campo magnetico ^6,60) che può provocare la stessa risposta neurale essendo localizzata in posizioni diverse. Inoltre, è noto che la posizione specifica di attivazione "picchi" in fMRI può variare considerevolmente, rendendoli sub-ottimale come TMS rivolge ^55,61. Anche così, una varietà di differenti procedure di localizzazione sono dimostrabilmente efficaci, quindi la scelta specifica è meno importante che assicurare che qualsiasi metodo viene utilizzato, fornisce effetti riproducibili affidabili.

Anche se i dati sperimentali presentati qui usati tempi di reazione come la misura dipendente, ci sono molte altre opzioni disponibili. Per esempio, alcuni studi utilizzano precisione invece ^9,12,62. In questi casi, la prestazione normale senza TMS è già al di sotto dei livelli del soffitto in modo che la perturbazione indotta dalla stimolazione si riflette nei punteggi di precisione.Altri studi hanno misurato gli effetti della stimolazione sui movimenti oculari ^63,64. Esperimenti di neuroscienze cognitive più con TMS, tuttavia, utilizzano tempi di reazione come misura dipendente ^13,48,65,66. Tipicamente, gli effetti sono dell'ordine di decine di msec, ovvero circa una variazione del 10% in tempi di reazione ^67. Qualunque cosa dipende misura viene utilizzato deve essere robusto e coerente, in modo che cambiamenti relativamente piccoli possono essere facilmente osservati.

Come ogni tecnica sperimentale, TMS ha dei limiti importanti che devono essere considerati quando si sceglie questa metodologia. I più comuni sono: i) la risoluzione spaziale di TMS, ii) gli effetti non specifici associati con la stimolazione, e iii) aspetti di sicurezza della metodologia. Primo, TMS ha una limitata profondità di stimolazione perché il campo magnetico si riduce di intensità più lontano è dalla bobina. Di conseguenza, è più efficace a stimolare regioni cerebrali vicino scalpo (circa 2 – 3 cm) ^68,69 </sup> Ed è inefficace per stimolare strutture cerebrali profonde. Come risultato, le uniche regioni direttamente accessibili al TMS sono limitate al mantello corticale, anche se diverse bobine di forma sono stati sviluppati per raggiungere regioni più profonde come i gangli della base ^69. TMS ha una risoluzione spaziale di circa 0,5 – 1 centimetro ^47,70-72. Così, il metodo non può essere usato per studiare i contributi funzionali di strutture spaziali a grana fine come le colonne corticali.

Una seconda limitazione è che la stimolazione TMS presenta effetti collaterali sensoriali simultanee a causa del campo magnetico che cambia rapidamente. In particolare, ogni impulso magnetico è accompagnato da un click uditivo e una sensazione di intercettazioni. Pertanto TMS può essere inappropriato per taluni esperimenti uditivi o somatosensoriali in cui tali effetti collaterali possono interferire con le prestazioni compito. Si noti, tuttavia, che TMS online è stato utilizzato con successo in alcuni esperimenti uditivi ^73,74 </sup> ed è quindi realizzabile in almeno alcuni compiti. Un'altra considerazione è che l'intensità degli effetti sensoriali differisce in sedi testa. Ad esempio, la stimolazione che viene somministrato in una posizione vicino all'orecchio suonerà più forte di località più lontane. Allo stesso modo più posizioni ventrali sulla testa producono maggiore contrazione muscolare rispetto alle aree dorsali ^75,76. Perché queste differenze portale possono indurre confonde sperimentali, è importante utilizzare un sito di controllo con simili effetti collaterali al sito principale, come omologhi controlaterali ⁷⁷ o includere il controllo condizioni / attività che non sfruttare il processo di interessi ^{24,62 , 73,78,79.}

Infine, le considerazioni di sicurezza devono sempre essere presi in considerazione durante la progettazione di esperimenti TMS in quanto può potenzialmente indurre sincope e convulsioni ^27. Per minimizzare questo rischio, le linee guida riconosciute a livello internazionale per intensità di stimolazione, frequenza e durata Exists, nonché per il numero totale di impulsi e gli intervalli inter-trial ^27,28. I protocolli che rimangono all'interno di queste linee guida sono da ritenersi sicuri per neurologicamente normali partecipanti. Vale la pena notare, tuttavia, che questi sono ancora incompleta e che sono introdotti protocolli spesso nuovi TMS che dimostrano anche sicuro. In generale, l'evidenza suggerisce che quando sono seguite le linee guida pubblicate, TMS è una procedura sicura e senza effetti collaterali pericolosi. Una conseguenza di questi limiti, tuttavia, è che spesso necessario regolare prima di poter essere usato con TMS protocolli comportamentali. Ciò ha implicazioni per diversi aspetti del progetto, tra cui la durata dell'esperimento, numero di prove, il numero di condizioni e siti di stimolazione che possono essere testati. Alcune di queste limitazioni possono essere superate suddividendo l'esperimento in sessioni separate come testando diversi siti di stimolazione in giorni diversi. In tali casi, è importante garantire che la localizzazionee il test di un sito sono fatto all'interno della stessa sessione. Questo minimizza varianza sperimentale massimizzando l'accuratezza di targeting. Nel decidere se utilizzare una o più sessioni di test, il limite fondamentale è la sicurezza del partecipante – specificamente, la quantità di stimolazione che è sicuro in una singola sessione. La stimolazione globale prevede familiarizzazione, la pratica, la localizzazione (se si utilizza TMS), e test, potenzialmente su più siti, e dipende essenzialmente dal numero di prove per ogni condizione. Qualora questa cifra supera le linee guida per una singola sessione, è necessario rompere l'esperimento in più sessioni, condotta da un minimo di 24 ore di distanza. Non vi sono regole difficili e veloci per quanto riguarda il numero minimo di prove necessarie per gli esperimenti TMS, ma come ogni esperimento, questi possono essere calcolate utilizzando calcoli di potenza standard, basati sulla dimensione dell'effetto, varianza, a livello α (tipicamente 0,05) e desiderati sensibilità. Spesso le stime ragionevoli dila dimensione e la varianza effetto sono disponibili a causa del fatto numerosi test pilota per ottimizzare il protocollo sperimentale.

In sintesi, TMS è diventato uno strumento importante con ampie applicazioni per le neuroscienze cognitive. Questo articolo fornisce un protocollo di base per la linea TMS in combinazione con un compito comportamentale per indagare le relazioni causali del cervello-comportamentale, sia in modalità "lesione virtuale" e anche uno strumento cronometrico per esplorare le dinamiche temporali di specifici per ogni regione elaborazione delle informazioni neurale.