Este papel descreve a estimulação magnética transcraniana da electroencefalografia-tempo real-provocada para estudar e modular redes humanas do cérebro.
O efeito de um estímulo ao cérebro depende não só dos parâmetros do estímulo, mas também da dinâmica da atividade cerebral no momento da estimulação. A combinação de eletroencefalografia (EEG) e estimulação magnética transcraniana (TMS) em um sistema de estimulação dependente do Estado cerebral em tempo real permite o estudo das relações de dinâmica da atividade cerebral, excitabilidade cortical e indução da plasticidade . Aqui, Nós demonstramos um método recentemente desenvolvido para sincronizar o sincronismo da estimulação do cérebro com a fase de oscilações contínuas de EEG usando um sistema de análise de dados em tempo real. Este TMS EEG-provocado tempo real do córtice de motor humano, quando TMS é sincronizado com o pico negativo de superfície de EEG do μ-alfa sensorimotor (8-14 hertz) o ritmo, mostrou a excitabilidade corticospinal diferencial e efeitos do plasticidade. A utilização deste método sugere que as informações em tempo real sobre o Estado cerebral instantâneo podem ser utilizadas para a indução de plasticidade eficaz. Adicionalmente, esta aproximação permite a estimulação EEG-sincronizada personalizada do cérebro que pode conduzir ao desenvolvimento de uns protocolos terapêuticos mais eficazes da estimulação do cérebro.
TMS é um método bem estabelecido para a estimulação não invasora do cérebro e permite a modulação específica da dinâmica de rede e dos estudos contínuos de vias neurais e corticospinal neural com a precisão armazenamento elevada1. Ao estimular o córtex motor primário (M1), a resposta neural pode ser quantificada como potencial evocado motor (eurodeputados), bem como potenciais de EEG evocados por TMS. Os eurodeputados podem ser registados por electromiografia (EMG) dos músculos-alvo, e a sua amplitude reflecte a excitabilidade corticoespinhal ao estimular o córtex motor primário2.
Apesar do potencial único de estimulação cerebral não invasiva como uma ferramenta científica para investigar e modular as redes cerebrais em participantes de estudo saudáveis e em pacientes, os estudos de TMS sofrem de grande variabilidade experimental-a-julgamento e intra e interindividual de respostas evocadas3,4,5. Especificamente, em estudos TMS da excitabilidade e da plasticidade corticospinal, as respostas do MEP, assim como a potenciação a longo prazo induzida (LTP)-ou a depressão a longo prazo (LTD)-como a plasticidade, exibem a variabilidade intrínseca elevada, mesmo quando os parâmetros do estímulo são cuidadosamente controlados3,4. No entanto, evidências de estudos em animais indicam que a variabilidade observada das respostas não é atribuível ao “ruído aleatório”, mas está relacionada aos Estados oscilantes cerebrais no momento da estimulação6. Conformemente, combinando TMS com o EEG em um paradigma Brain-State-dependente tempo real da estimulação (isto é, TMS EEG-provocado), o estado instantâneo de flutuação do cérebro pode ser usado para aperfeiçoar o sincronismo de estímulo7,8, 9 anos de , a 10.
Diversos estudos relacionaram a fase instantânea de oscilações neurais contínuas à excitabilidade neuronal usando os sistemas TMS-compatíveis de EEG11,12. Os amplificadores modernos de EEG podem segurar os grandes artefatos eletromagnéticos de TMS, e os protocolos experimentais cada vez mais bem estabelecidos existem para a combinação de EEG com TMS13,14 e a remoção post hoc do EEG TMS-relacionado artefatos15,16. Quando a influência do estado de cérebro do prestimulus como avaliada por EEG em respostas TMS-evocadas pode ser avaliada com os estímulos aleatòria aplicados TMS que são classificados borne hoc17,18, a aplicação repetitiva de TMS em um cérebro predefinido o Estado exige o EEG-disparado tempo real TMS11,19.
Aqui, uma configuração de TMS-acionada por EEG de resolução de milissegundos personalizada é usada para sincronizar pulsos TMS com uma fase predeterminada de oscilações cerebrais contínuas11, demonstrando que a deflexão negativa do EEG do ritmo μ-alfa corresponde a uma maior estado da excitabilidade cortical (que conduz às amplitudes maiores do MEP) em comparação à deflexão positiva8,11,12,20do EEG. Neste manuscrito, nós apresentamos um método para conduzir em tempo real EEG-desencadeou protocolos de TMS para estudar redes do cérebro humano.
O TMS EEG-provocado cérebro-estado-dependente é um método novo com perspectivas originais no que diz respeito à eficácia e à consistência dos efeitos de seguimento da cérebro-estimulação8,9,31. A principal vantagem do método é que um Estado cerebral endógeno funcionalmente relevante pode ser especificamente direcionado para desencadear o pulso TMS, induzindo respostas cerebrais potencialmente menos variáveis e mais duradouras11. O TMS repetitivo EEG-disparado tempo real na fase negativa do μ-ritmo sensorimotor do M1 humano (isto é, o estado da excitabilidade corticospinal aumentada, Figura 2) induziu significativamente mais forte a PLASTICIDADE LTP-como (um aumento a longo prazo do MEP amplitude) comparado ao cérebro-estado-independente TMS11,20. Além do que sua utilidade científica, a aplicação do EEG-TMS tempo real às áreas corticais, tais como o córtice pré-frontal dorsolateral (DLPFC), tem o potencial aumentar a eficácia de protocolos terapêuticos atuais da estimulação do cérebro.
Neste manuscrito, apresentamos as etapas metodológicas para a implantação do EEG-TMS em tempo real. Os requisitos fundamentais para a condução de experimentos com este método são, em primeiro lugar, o uso de um sistema de EEG compatível com TMS com uma opção de saída digital em tempo real e, segundo, o uso de processamento de sinais em tempo real com a implementação de uma detecção de fase algoritmo24, que extrai o ritmo cerebral desejado (por exemplo, o μ-ritmo sensorimotor) a partir do sinal EEG gravado usando filtros espaciais (por exemplo, filtro Laplaciano centrado no C3) e aplica estimulação quando as condições pré-selecionadas (i.e., fase e potência de o ritmo cerebral alvo) são cumpridos. O desempenho e a exatidão do algoritmo dependem fortemente do SNR da gravação20de EEG. Assim, as etapas da preparação de EEG do protocolo são cruciais para conseguir um SNR elevado e para assegurar o disparador exato do TMS, e uma pré-eleição dos participants pode precisar de ser considerada se a oscilação do alvo respectiva não é suficientemente observável com EEG em cada indivíduo. Além disso, aconselha-se o uso de braços de suporte mecânico para as bobinas e almofadas de vácuo para imobilizar a cabeça do participante, a fim de minimizar artefatos devido à pressão variável da bobina nos eletrodos.
Em relação à aplicação do método EEG-TMS em tempo real em paradigmas experimentais, a seleção do ritmo cerebral de interesse pode variar. Assim, os ajustes da filtragem são aconselháveis para facilitar a identificação da atividade cerebral direcionada. Recentemente, vários métodos de filtragem espacial foram propostos para extrair otimamente um Estado cerebral funcional relevante (por exemplo, no canal19, com a densidade de fonte atual13, com filtros espaciais locais11,28 , e com filtros individualizados utilizando, por exemplo, a decomposição espacial-espectral29). Contudo, até agora, nenhum método inequívoco existe para extrair dos sinais de superfície de EEG (espaço do sensor) a fase real do cérebro-oscilação (espaço da fonte). Estudos futuros que avaliam a correspondência de sinais de superfície e de espaço-fonte são garantidos para melhorar a precisão dos algoritmos de EEG em tempo real.
Considerando que neste protocolo nós focamos no μ-ritmo sensorimotor do 8-14-Hz para demonstrar a influência da fase instantânea desta oscilação na excitabilidade corticospinal, outras oscilações (por exemplo, beta, Theta, ou oscilações do infraslow) podem igualmente desempenhar um papel. Este método pode, em princípio, ser usado para direcionar a fase para qualquer oscilação que pode ser isolada com um SNR suficiente, incluindo múltiplas oscilações sobrepostas (por exemplo, um ciclo negativo de alfa e um pico simultâneo positivo de gama).
Uma das principais limitações dos experimentos de EEG-TMS em tempo real é que a resolução espaciotemporal em relação às fontes cerebrais é fortemente dependente da ocorrência do artefato e da consistência da estimulação. Portanto, um pré-requisito crítico do protocolo é o monitoramento do desempenho do algoritmo (ou seja, garantir que a estimulação ocorra após a detecção de atividade neuronal e não vesícula durante todo o experimento). Além disso, a utilização do neuronavegação para o posicionamento óptimo e consistente da bobina da estimulação (especial em paradigmas experimentais que usam locais da estimulação tais como o dlpfc) é útil para reduzir a variabilidade da resposta devido à variabilidade em posição da bobina. Observe também, como uma limitação adicional, que especificamente selecionados e configurados EEG/EMG, TMS, e dispositivos de processamento em tempo real são necessários, juntamente com a experiência na preparação e realização dos experimentos de forma a minimizar fontes externas de resposta variabilidade que pode mascarar o efeito do cérebro-estado instantâneo.
Em conclusão, Nós demonstramos um protocolo padrão para conduzir experiências em tempo real de EEG-TMS e introduzimos um método novo para utilizar os Estados de cérebro endógenos do interesse (isto é, fases pré-selecionadas e poder de uma oscilação endógena alvejada do cérebro) para desencadear a estimulação cerebral. Pesquisas adicionais utilizando o método EEG-TMS em tempo real permitirão melhorias metodológicas e facilitarão o desenvolvimento de protocolos efetivos para o estudo e a modulação das redes cerebrais humanas.
The authors have nothing to disclose.
C.Z. reconhece o apoio do programa cientista clínico da faculdade de medicina da Universidade de Tübingen. U.Z. reconhece o apoio da Fundação alemã de investigação (subvenção ZI 542/7-1). T.O.B. reconhece o apoio da Fundação alemã de investigação (subvenção BE 6091/2-1). J.O.N. reconhece o apoio da Academia da Finlândia (decisões n º 294625 e 306845). Os autores reconhecem o apoio do fundo de publicação de acesso aberto da Universidade de Tübingen.
EEG and EMG recording systems | |||
EEG/EMG amplifier | NeurOne with Real-time Digital Out, Bittium Biosignals Ltd., Finland | ||
TMS device | MAG & More Research 100, MAG & More GmbH, Munich, Germany | ||
Software | Mathworks Simulink Real-Time (Mathworks Ltd, USA) | ||
Stereo infrared camera neuronavigation system including reflective head tracker, pointer tool, head tracker | |||
Experimental control PC that is connected to the EEG system, the TMS stimulator, the real-time device and the neuronavigation system | |||
EEG electodes, EMG electrodes, syringes, abrasive and conductive gel | |||
Plastic wrap and adhesive tape |