Extraindo potenciais evocados visuais de dados EEG gravado durante fMRI-guiada Estimulação Magnética Transcraniana

Estimulação Magnética Transcraniana (TMS) gera interferência momentânea à atividade neural normal em áreas-alvo do cérebro. Ao criar esta interferência neural transitório e medindo uma mudança comportamental ou fisiológico, podemos tirar um nexo de causalidade entre a área alvo eo efeito experimental medida (para uma revisão ver Pascual-Leone et al. E Taylor et al. ^1,2). Tal efeito experimental pode ser, por exemplo, um desempenho de uma tarefa cognitiva ou uma mudança na electrofisiológico (EEG) actividade. De fato, nos últimos anos, pesquisadores começaram a usar TMS em combinação com EEG de se relacionar diretamente áreas corticais com potenciais relacionados a eventos (ERP) ou padrões de atividade oscilatórios (por exemplo, ^2-7). Neste trabalho metodológico vamos descrever um quadro específico e útil para combinar TMS e EEG: TMS fMRI-guiada durante um experimento ERP. Primeiro, iremos detalhar como aplicar TMS para áreas pré-definidas pela FMRI, durante a gravação de dados de EEG. Nós, então, descrever um projeto experimental que permite a extração de ERP confiável. O objetivo de tal experiência é causalmente áreas do cérebro de ligação reveladas com ressonância magnética funcional para componentes de ERP de interesse. Por último, vamos dar um exemplo específico de um estudo relativo rosto e corpo ERPs seletivo com rosto e corpo áreas seletivas que são reveladas com fMRI.

Qual é a vantagem de ligar sinais de EEG com ativações fMRI? EEG e fMRI são comumente usadas ferramentas para medir as respostas corticais a entrada visual. Por exemplo, a categoria-seletividade na via visual foi avaliada para diferentes categorias de objetos visuais, como rostos, partes do corpo, e as palavras escritas, tanto por meio de ERP extraídos de ^8,9 dados EEG e ressonância magnética funcional ^10-12. Os sinais medidos por estas duas ferramentas de investigação comuns são, no entanto, de fundamentalmente diferente natureza. EEG traz informações sobre a atividade elétrica neural com grande temporaisprecisão, mas muito baixa resolução espacial e pode refletir uma mistura de muitas fontes subjacentes separadas. A fMRI fornece uma medida indireta da atividade neuronal contando com as alterações hemodinâmicas lentos que ocorrem durante a apresentação do estímulo e / ou execução da tarefa, mas apresenta esta actividade com uma resolução espacial superior. Estabelecendo uma correlação entre as duas medidas podem, assim, ser de grande interesse, mas é limitada na medida em que não implica um nexo de causalidade entre a resposta eletrofisiológica gravada em couro cabeludo e as áreas reveladas com ressonância magnética funcional. Mesmo quando medido ao mesmo tempo (por exemplo, ^13-15), uma relação de causalidade entre direccional EEG e actividade em áreas corticais funcionalmente definidos não podem ser determinados. TMS é uma ferramenta que pode ajudar conseguir o estabelecimento de uma relação tão causal.

Um estudo do EEG-TMS simultânea é metodologicamente difícil, principalmente devido ao artefato de alta tensão introduzida no sinal EEG by a estimulação magnética (veja a Figura 1, para uma revisão ver Ilmoniemi et al. ^16). Este artefato consiste em uma perturbação passageira curta vida relacionada com pulso, muitas vezes seguido de um artefato secundário (ou residual) mais lento que pode durar algumas centenas de milissegundos após o pulso é entregue Figura 2A, substituindo, assim, a maioria dos componentes de ERP de interesse. Este artefato secundário podem incluir fontes mecânicas, tais como correntes induzidas pelo pulso magnético para a fiação ea lenta decadência dessas correntes na pele, e as fontes fisiológicas, tais como a atividade muscular sobre o couro cabeludo e auditiva ou potenciais evocados somatossensitivos provocada pela operação de a bobina de ^17-20. Embora as fontes de interferência mecânica provavelmente produzir artefactos de amplitude maiores do que os fisiológicos, estes diferentes artefactos não podem ser separados, e a existência de qualquer deles, em que o sinal pode confundir os resultados. Uma possível paração é a aplicação de pulsos TMS repetitivos antes EEG gravação ("off-line TMS"), em oposição ao simultânea de EEG-TMS. O efeito inibitório de um protocolo deste tipo sobre a actividade cortical persistir durante vários minutos (ou superior a meia hora) após a estimulação, e EEG pode ser medida durante esta janela de tempo efectiva e comparadas com os valores basais, pré-TMS, dados de EEG. Estimulação repetitiva, no entanto, é, por definição, a falta de alta resolução temporal que pode oferecer linha TMS, em que pulsos pode ser administrado a um momento preciso em relação ao início do estudo com a resolução de milisegundos. O efeito de estimulação repetitiva pode também propagar através de ligações corticais através de uma área mais ampla do que o desejado e, por conseguinte, reduzir significativamente a resolução espacial bem.

Para aproveitar tanto a resolução espacial e temporal que TMS pode fornecer uma combinação simultânea de EEG-TMS pode ser aplicada. No entanto, isto requer métodos para a remoção de produtos manufacturadosgerada pela estimulação magnética do sinal EEG. Muito poucas soluções matemáticas offline para remoção artefato TMS foram propostos ^16,21,22, embora nenhum método é acordado, e não há um método pode ser o ideal para todos os projetos experimentais. Um sistema de "recorte", que consiste em um circuito sample-and-hold, também foi desenvolvido para interromper momentaneamente a aquisição de EEG durante TMS entrega de pulso 20. Esta técnica não só exige hardware especializado, mas pode não remover completamente o artefato TMS residual. Neste artigo vamos descrever uma adaptação de uma metodologia de EEG-TMS desenvolvido pela Thut e colegas ^19, particularmente adequado para estudos de ERP. Esta técnica permite a extração confiável de ERP, eliminando todos os componentes de ruído residual causada pelo pulso TMS Figura 2. Vamos fornecer mais orientação geral para uma instalação experimental EEG-TMS sucesso.

Outro desafio em estudos TMS dirigida in este papel metodológico é encontrar a melhor posição da bobina e do ângulo para uma mira precisa da área cortical desejado. Vamos descrever o uso de um sistema de navegação estereotáxica para coregister cabeça do sujeito com as imagens funcionais de ressonância magnética pré-adquiridos. Embora o sistema de navegação pode ser utilizada para localizar as estruturas cerebrais anatomicamente definidas, uma segmentação RMf guiada é particularmente útil uma vez que para muitas funções e efeitos experimentais a localização precisa de activação não pode ser inferida a partir de marcadores anatómicos sozinho. Para essas regiões funcionais de interesse (ROI), a definição de uma área é feito para cada participante individual.

Para ilustrar todos os itens acima, vamos dar um exemplo de um estudo que fizemos anteriormente, em que o EEG foi gravado simultaneamente com TMS guiado por fMRI ativações ^7. Neste estudo, uma dissociação dupla foi feita entre ERPs face-seletivos e corporais seletivo: apesar de rosto e corpo ERPs ervilhak em torno dos mesmos sites de latência e de eletrodos, visando áreas face-seletivos e corporais seletivo definidos individualmente no lobo occipital lateral, nos permitiu dissociar as redes neurais subjacentes a cada resposta ERP. Finalmente, vamos tentar dar mais conselho geral para otimizar a gravação de EEG durante a aplicação TMS.