التحفيز المغناطيسي Transcranial مجتمعة والمخ من قشرة Dorsolateral Prefrontal
Summary
البروتوكول المعروضة هنا لدراسات مركز التقنيات التربوية-التخطيط الدماغي استخدام استثارة إينتراكورتيكال الاختبار-إعادة اختبار نماذج التصميم. قصد البروتوكول إصدار تدابير استثارة القشرية موثوقة واستنساخه لتقييم أداء العصبية المرتبطة بالتدخلات العلاجية في علاج الأمراض العصبية مثل الاكتئاب الكبرى.
Abstract
التحفيز المغناطيسي Transcranial (TMS) هو أسلوب غير الغازية التي تنتج الإثارة العصبية في القشرة عن طريق نبضات قصيرة، واختلاف الوقت من المجال المغناطيسي. البدء في تفعيل القشرية أو تعديل يعتمد على تفعيل الخلفية للخلايا العصبية لتنشيط المنطقة القشرية، وخصائص اللولب وموقفها وتوجهها فيما يتعلق بالرأس. مركز التقنيات التربوية جنبا إلى جنب مع اليكتروسيفالوجرافي المتزامنة (EEG) ونيورونافيجيشن (الوسائل التقنية الوطنية-EEG) يسمح لتقييم استثارة كورتيكو القشرية، والاتصال بالإنترنت في معظم المناطق القشرية بطريقة استنساخه. هذا التقدم يجعل التخطيط الدماغي الوسائل التقنية الوطنية أداة قوية يمكن إجراء تقييم دقيق لديناميات المخ والأعصاب في الاختبار-إعادة اختبار النماذج المطلوبة للتجارب السريرية. وتشمل القيود المفروضة على هذا الأسلوب القطع الأثرية التي تغطي مفاعليه الدماغ الأولية للتحفيز. وهكذا، عملية إزالة القطع الأثرية قد أيضا استخراج معلومات قيمة. وعلاوة على ذلك، المعلمات الأمثل dorsolateral prefrontal التحفيز (دلبفك) غير معروفة تماما والبروتوكولات الحالية الاستفادة من الاختلافات من نماذج التحفيز القشرة الحركية (M1). ومع ذلك، تطور الوسائل التقنية الوطنية-EEG التصاميم الأمل لمعالجة هذه القضايا. ويدخل البروتوكول المعروضة هنا بعض الممارسات القياسية لتقييم أداء العصبية من التحفيز على دلبفك التي يمكن تطبيقها في المرضى الذين يعانون من مقاومة للعلاج من الاضطرابات النفسية التي تتلقى العلاج مثل transcranial التحفيز التيار المباشر (تدكس) والتحفيز المغناطيسي transcranial المتكررة (rTMS) والعلاج المغناطيسي الاستيلاء (MST) أو العلاج اليكتروكونفولسيفي (إلخ).
Introduction
التحفيز المغناطيسي Transcranial (TMS) هو أداة العصبية التي تسمح لتقييم نشاط الخلايا العصبية القشرية عن طريق استخدام المجال المغناطيسي السريع، واختلاف الوقت البقول1غير الغازية. حمل هذه الحبوب المجال المغناطيسي حالية ضعيفة في القشرة السطحية تحت اللولب الذي ينتج غشاء ديبولاريزيشن. تفعيل القشرية التي تلت أو التحوير ارتباطاً مباشرا بخصائص اللولب وزاوية الميل إلى الجمجمة2. الموجي للنبض خرج من اللولب والدولة الأساسية للخلايا العصبية تؤثر أيضا على تفعيل القشرية الناتجة3.
مركز التقنيات التربوية يمكن تقييم وظائف القشرية تستحضر الاستجابات السلوكية أو السيارات أو من خلال انقطاع التجهيز المتعلقة بالمهمة. يمكن تقييمه استثارة العمليات كورتيكو-الشوكي من خلال تسجيل الاستجابات (EMG) اليكتروميوجرافيك أثارت من واحد TMS البقول على القشرة الحركية، في حين إينتراكورتيكال عليه (تيسير إينتراكورتيكال؛ ICF) والآليات المثبطة (تثبيط قصيرة وطويلة إينتراكورتيكال؛ يمكن سبر سيسي وليسي) مع إقران نبض TMS. TMS المتكررة يمكن أن تخل بمختلف العمليات المعرفية، ولكن يستخدم في المقام الأول كأداة علاجية لمجموعة متنوعة من الاضطرابات العصبية. وعلاوة على ذلك، يمكن استخدام المزيج من مركز التقنيات التربوية بالمخ المتزامنة (TMS-EEG) لتقييم كورتيكو القشرية استثارة والاتصال4. أخيرا، إذا كان يتم تسليم إدارة مركز التقنيات التربوية مع نيورونافيجيشن (الوسائل التقنية الوطنية)، سوف تسمح لاختبار دقة-إعادة اختبار نماذج إذ يمكن تسجيل الموقع الدقيق للتحفيز. يمكن أن تكون مستهدفة أكثر من عباءة القشرية وحفز (بما في ذلك المناطق التي لا تنتج استجابات جسدية أو سلوكية قابلة للقياس) وهكذا القشرة يمكن وظيفيا تعيينها.
إشارة EEG أثارت من نبض واحد أو مقترن بمركز التقنيات التربوية يمكن تيسير تقييم الربط كورتيكو القشرية5 والحالة الراهنة للدماغ. وينتج التيار الكهربائي الناجم عن مركز التقنيات التربوية إمكانات العمل التي يمكن تنشيط نقاط الاشتباك العصبي. توزيع التيارات بوستسينابتيك يمكن تسجيلها من خلال التخطيط الدماغي6. يمكن استخدام إشارة EEG لتقدير حجم وموقع متشابك التوزيعات الحالية عن طريق ثنائي قطب نمذجة7 أو8من تقدير الحد الأدنى-القاعدة، عندما يعمل EEG متعددة القنوات، ومع بنية الموصلية الرأس واستأثرت. مركز التقنيات التربوية-EEG مجتمعة يمكن أن تستخدم لدراسة العمليات المثبطة القشرية9وذبذبات10، كورتيكو القشرية11 والتفاعلات إينتيرهيميسفيريك12واللدونه القشرية13. الأهم من ذلك، يمكن التحقيق TMS EEG استثارة التغييرات أثناء المهام الإدراكية أو الحركية مع اختبار جيدة-إعادة اختبار الموثوقية14،15. الأهم من ذلك، أن مركز التقنيات التربوية-EEG لديه القدرة على تحديد الإشارات العصبية التي تكون بمثابة التنبؤ للرد على التدخلات العلاجية (rTMS أو التأثيرات الدوائية) في الاختبار-إعادة اختبار التصاميم16،17.
مبادئ نيورونافيجيشن لمركز التقنيات التربوية يرتكز على مبادئ ستيريوتاكسي فرملس. استخدام نظم البصرية تتبع نظام18 التي توظف كاميرا التي ينبعث منها الضوء الذي يتصل بالعناصر البصرية التي تعكس الضوء يعلق على الرأس (عن طريق تعقب المراجع) ولفائف TMS. نيورونافيجيشن يسمح للتعريب لفائف على نموذج ثلاثي الأبعاد التصوير بالرنين المغناطيسي مع المعونة من أداة مرجعية رقمية أو القلم. ويسهل استخدام نيورونافيجيشن القبض على اتجاه الملف والموقع ومحاذاة الرأس في هذا الموضوع وكذلك رقمنة مواقف الكهربائي EEG. هذه الميزات أساسية لإعادة اختبار اختبار تصميم التجارب والتحفيز دقيقة من موقع محدد داخل قشرة dorsolateral prefrontal.
من أجل الاستفادة من بروتوكول TMS-EEG في تجربة إعادة اختبار اختبار، هناك حاجة إلى استهداف دقيقة وتحفيز يتسق المنطقة القشرية للحصول على إشارات يمكن الاعتماد عليها. تسجيل TMS EEG يمكن أن تكون عرضه لمختلف الأعمال الفنية. يمكن تصفية مركز التقنيات التربوية التي يسببها قطعة أثرية في أقطاب التخطيط الدماغي مع مكبرات الصوت التي يمكن استرداد بعد تأخير19،20 أو مكبرات الصوت التي لا يمكن أن تكون مشبعة21. ومع ذلك، انقر فوق أنواع أخرى من القطع الأثرية التي تم إنشاؤها بحركات العين أو يومض، وتنشيط العضلات الجمجمة بالقرب من أقطاب EEG وحركة القطب عشوائية وعلى الاستقطاب، واللولب أو جسدية الإحساس يجب أن تؤخذ في الاعتبار. إعداد هذا الموضوع الدقيق الذي يضمن ممانعات القطب أدناه 5 kΩ، التثبيت اللولب على الأقطاب ورغوة من بين لفائف واقطاب للحد من الاهتزاز (أو فاصل للقضاء على التردد المنخفض التحف22)، سدادات الإذن وحتى ينبغي أن تستخدم إخفاء السمعية للتقليل من هذه التحف23. ويدخل البروتوكول المعروضة هنا عملية قياسية لتقييم أداء العصبية عندما يتم تطبيق في التحفيز على مدى dorsolateral prefrontal (دلبفك). يتم التركيز على نماذج إقران نبض المشتركة التي تم التحقق من صحتها في دراسات M19،،من1516.
Protocol
Representative Results
Discussion
مركز التقنيات التربوية-EEG يمكن تحفيز مباشر وموسع لمعظم المناطق القشرية والحصول على نشاط الخلايا العصبية الناتجة مع30من القرار الزمانية جيدة جداً، خصوصا عندما يستخدم نيورونافيجيشن. الاستفادة من هذا التقدم المنهجي يستند إلى حقيقة أن إشارات EEG أثارت TMS تنشأ من النشاط العصبي الك?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذا العمل جزئيا ب NIMH R01 MH112815. بتأييد هذا العمل أيضا من مؤسسة الأسرة تيميرتي ومنحة مؤسسة الأسرة وكامبل الأسرة معهد الصحة العقلية للبحث في المركز للصحة العقلية والإدمان.
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 |
Referenzen
- 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).
