यह पत्र मानव मस्तिष्क नेटवर्क का अध्ययन और संगलन करने के लिए वास्तविक समय इलेक्ट्रोएन्सेफेलोग्राफी-ट्रिगर ट्रांसक्रैनियल चुंबकीय उत्तेजना का वर्णन करता है।
मस्तिष्क के लिए एक उत्तेजना का प्रभाव न केवल उत्तेजना के मापदंडों पर निर्भर करता है, लेकिन यह भी उत्तेजना के समय में मस्तिष्क गतिविधि की गतिशीलता पर. इलेक्ट्रोएन्सेफेलोग्राफी (ईईजी) और ट्रांसक्रैनियल चुंबकीय उत्तेजना (टीएमएस) का संयोजन एक वास्तविक समय मस्तिष्क राज्य पर निर्भर उत्तेजना प्रणाली में मस्तिष्क गतिविधि, cortical excitability, और plasticity प्रेरण की गतिशीलता के संबंधों के अध्ययन की अनुमति देता है . यहाँ, हम एक वास्तविक समय डेटा विश्लेषण प्रणाली का उपयोग चल रहे ईईजी दोलनों के चरण के साथ मस्तिष्क उत्तेजना के समय सिंक्रनाइज़ करने के लिए एक नव विकसित विधि का प्रदर्शन. यह वास्तविक समय ईईजी ट्रिगर मानव मोटर प्रांतस्था के TMS, जब टीएमएस sensorimotor के EEG नकारात्मक चोटी के साथ सिंक्रनाइज़ किया जाता है -अल्फा (8-14 हर्ट्ज) ताल, अंतर corticospinal excitability और plasticity प्रभाव दिखाया गया है. इस विधि के उपयोग से पता चलता है कि तात्कालिक मस्तिष्क राज्य के बारे में वास्तविक समय जानकारी प्रभावशाली प्लास्टिक प्रेरण के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. इसके अतिरिक्त, इस दृष्टिकोण व्यक्तिगत ईईजी सिंक्रनाइज़ मस्तिष्क उत्तेजना जो अधिक प्रभावी चिकित्सीय मस्तिष्क उत्तेजना प्रोटोकॉल के विकास के लिए नेतृत्व कर सकते हैं सक्षम बनाता है.
टीएमएस noninvasive मस्तिष्क उत्तेजना के लिए एक अच्छी तरह से स्थापित विधि है और चल रहे नेटवर्क गतिशीलता और उच्च spatiotemporal परिशुद्धता1के साथ corticocortical और corticospinal तंत्रिका रास्ते के अध्ययन के विशिष्ट मॉडुलन सक्षम बनाता है. जब प्राथमिक मोटर प्रांतस्था उत्तेजक (M1), तंत्रिका प्रतिक्रिया मोटर evoked क्षमता के रूप में मात्रा निर्धारित किया जा सकता है (MEPs), साथ ही TMS-evoked ईईजी क्षमता. MEPs लक्ष्य मांसपेशियों की इलेक्ट्रोमाइग्राफी (ईएमजी) द्वारा दर्ज किया जा सकता है, और उनके आयाम corticospinal उत्तेजना को दर्शाता है जब प्राथमिक मोटर प्रांतस्था2उत्तेजक .
जांच और स्वस्थ अध्ययन प्रतिभागियों में और रोगियों में मस्तिष्क नेटवर्क को मॉडलेट करने के लिए एक वैज्ञानिक उपकरण के रूप में noninvasive मस्तिष्क उत्तेजना की अद्वितीय क्षमता के बावजूद, टीएमएस अध्ययन बड़े परीक्षण से परीक्षण और अंतर-व्यक्तिगत परिवर्तनशीलता से पीड़ित के प्रतिक्रियाएं3,4,5. विशेष रूप से, corticospinal excitability और plasticity के टीएमएस अध्ययन में, एमईपी प्रतिक्रियाओं, साथ ही प्रेरित दीर्घकालिक potentiation (LTP)- या दीर्घकालिक अवसाद (LTD)-जैसे प्लास्टिक, उच्च आंतरिक परिवर्तनशीलता प्रदर्शन, यहां तक कि जब उत्तेजना पैरामीटर सावधानी से नियंत्रित कर रहे हैं3,4. हालांकि, पशु अध्ययन से सबूत इंगित करता है कि प्रतिक्रियाओं की मनाया परिवर्तनशीलता “यादृच्छिक शोर” के लिए कारण नहीं है, लेकिन इसके बजाय उत्तेजना के समय में अस्थिर मस्तिष्क राज्यों से संबंधित है6. तदनुसार, एक वास्तविक समय मस्तिष्क राज्य पर निर्भर उत्तेजना प्रतिमान में ईईजी के साथ टीएमएस के संयोजन के द्वारा (यानी, ईईजी ट्रिगर टीएमएस), अस्थिर तात्कालिक मस्तिष्क राज्य उत्तेजना समय का अनुकूलन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकताहै 7,8, 9 , 10|
कई अध्ययनों से टीएमएस-संगत ईईजी सिस्टम11,12का उपयोग कर न्यूरोनल उत्तेजना के लिए चल रहे तंत्रिका दोलनों के तात्कालिक चरण से संबंधित है। आधुनिक ईईजी एम्पलीफायरों बड़े विद्युत चुम्बकीय टीएमएस कलाकृतियों को संभाल कर सकते हैं, और तेजी से अच्छी तरह से स्थापित प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल टीएमएस13के साथ ईईजी के संयोजन के लिए मौजूदहैं,14 और टीएमएस से संबंधित ईईजी के बाद तदर्थ हटाने कलाकृतियों15,16. जबकि टीएमएस पर ईईजी द्वारा मूल्यांकन के रूप में पूर्व उत्तेजना मस्तिष्क राज्य के प्रभाव-उत्तेजित प्रतिक्रियाओं बेतरतीब ढंग से लागू टीएमएस उत्तेजनाओं कि तदर्थ17के बाद हल कर रहे हैं के साथ मूल्यांकन किया जा सकता है,18, एक पूर्वनिर्धारित मस्तिष्क में टीएमएस के दोहराव आवेदन राज्य वास्तविक समय ईईजी-ट्रिगर टीएमएस11,19 कीआवश्यकता है।
यहाँ, एक कस्टम millisecond-रिज़ॉल्यूशन ईईजी-ट्रिगर टीएमएस सेटअप चल रहे मस्तिष्क दोलनों के एक पूर्व निर्धारित चरण के साथ टीएमएस दालों सिंक्रनाइज़ करने के लिए प्रयोग किया जाता है11, प्रदर्शन है कि नकारात्मक ईईजी विक्षेप के एक उच्च करने के लिए मेल खाती है संक्षिप् त उत् तेधनता स्थिति (बड़े एमईपी आयाम की ओर ले जाने वाली ) धनात्मक ईईजी विक्षेप8,11,12,20की तुलना में . इस पांडुलिपि में, हम मानव मस्तिष्क नेटवर्क का अध्ययन करने के लिए वास्तविक समय ईईजी-ट्रिगर टीएमएस प्रोटोकॉल के संचालन के लिए एक विधि प्रस्तुत करते हैं।
मस्तिष्क-राज्य पर निर्भर ईईजी-ट्रिगर टीएमएस आगामी मस्तिष्क-उत्तेजना प्रभाव8,9,31की प्रभावशीलता और स्थिरता के संबंध में अद्वितीय दृष्टिकोण के साथ एक उपन्यास विधि है। विधि का मुख्य लाभ यह है कि एक कार्यात्मक प्रासंगिक अंतर्जात मस्तिष्क राज्य विशेष रूप से टीएमएस पल्स को गति प्रदान करने के लिए लक्षित किया जा सकता है, संभावित रूप से कम चर और लंबे समय तक चलने मस्तिष्क प्रतिक्रियाओं11प्रेरित . वास्तविक समय ईईजी-ट्रिगर दोहराव दोहराव टीएमएस sensorimotor के नकारात्मक चरण में – मानव M1 के ताल (यानी, वृद्धि हुई corticospinal excitability की स्थिति, चित्रा 2) काफी मजबूत LTP की तरह plasticity प्रेरित (एमईपी की एक लंबी अवधि की वृद्धि आयाम) मस्तिष्क राज्य स्वतंत्र टीएमएस11,20की तुलना में. अपनी वैज्ञानिक उपयोगिता के अलावा, वास्तविक समय ईईजी-TMS के आवेदन cortical क्षेत्रों के लिए, इस तरह के dorsolateral prefrontal प्रांतस्था (DLPFC) के रूप में, वर्तमान चिकित्सीय मस्तिष्क उत्तेजना प्रोटोकॉल की प्रभावशीलता को बढ़ाने की क्षमता है.
इस पांडुलिपि में, हम वास्तविक समय ईईजी-टीएमएस के कार्यान्वयन के लिए methodological कदम प्रस्तुत किया. इस विधि के साथ प्रयोगों के चालन के लिए मौलिक आवश्यकताओं रहे हैं, पहले, एक वास्तविक समय डिजिटल बाहर विकल्प के साथ एक TMS-संगत ईईजी प्रणाली का उपयोग और, दूसरा, एक चरण का पता लगाने के कार्यान्वयन के साथ वास्तविक समय संकेत प्रसंस्करण का उपयोग एल्गोरिथ्म24,जो स्थानिक फिल्टर (जैसे, C3 केंद्रित Laplacian फिल्टर) का उपयोग कर दर्ज ईईजी संकेत से वांछित मस्तिष्क ताल (जैसे, sensorimotor – ताल) निकालता है और उत्तेजना लागू होता है जब preselected शर्तों (यानी, चरण और की शक्ति लक्षित मस्तिष्क ताल) मिले हैं. प्रदर्शन और एल्गोरिथ्म की सटीकता ईईजी रिकॉर्डिंग20के SNR पर दृढ़ता से निर्भर करते हैं। इस प्रकार, प्रोटोकॉल के ईईजी तैयारी कदम एक उच्च SNR को प्राप्त करने और टीएमएस की सटीक ट्रिगर सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण हैं, और प्रतिभागियों के एक preselection पर विचार करने की आवश्यकता हो सकती है अगर संबंधित लक्ष्य दोलन पर्याप्त रूप से ईईजी के साथ नजर नहीं है में हर व्यक्ति. इसके अलावा, कुंडल और वैक्यूम तकिए के लिए यांत्रिक समर्थन हथियारों का उपयोग भागीदार के सिर को स्थिर करने के लिए सलाह दी जाती है, इलेक्ट्रोड पर कुंडली के अलग-अलग दबाव के कारण कलाकृतियों को कम करने के लिए।
प्रयोगात्मक प्रतिमानों में वास्तविक समय ईईजी-टीएमएस विधि के आवेदन के बारे में, ब्याज की मस्तिष्क लय का चयन भिन्न हो सकते हैं। इस प्रकार, फ़िल्टरिंग के समायोजन लक्षित मस्तिष्क गतिविधि की पहचान की सुविधा के लिए सलाह दी जाती है. हाल ही में, कई स्थानिक फ़िल्टरिंग विधियों को एक कार्यात्मक रूप से प्रासंगिक मस्तिष्क राज्य को इष्टतम रूप से निकालने का प्रस्ताव किया गया है (जैसे, चैनल अंतरिक्ष19में, वर्तमान स्रोत घनत्व13के साथ, स्थानीय स्थानिक फिल्टर11,28 के साथ , और व्यक्तिगत फिल्टर का उपयोग कर के साथ, उदाहरण के लिए, स्थानिक-स्पेक्ट्रल अपघटन29). फिर भी, अभी तक, कोई स्पष्ट विधि सतह ईईजी संकेतों (सेंसर अंतरिक्ष) असली मस्तिष्क दोलन चरण (स्रोत अंतरिक्ष) से निकालने के लिए मौजूद है। भविष्य के अध्ययन है कि सतह और स्रोत अंतरिक्ष संकेतों के पत्राचार का आकलन वास्तविक समय ईईजी एल्गोरिदम की परिशुद्धता में सुधार करने के लिए warranted रहे हैं.
जबकि इस प्रोटोकॉल में हम पर ध्यान केंद्रित किया है 8-14-Hz sensorimotor – ताल corticospinal excitability पर इस दोलन के तात्कालिक चरण के प्रभाव को प्रदर्शित करने के लिए, अन्य दोलनों (उदा, बीटा, थीटा, या इन्फ्रास्लो दोलन) भी हो सकता है एक भूमिका निभाते हैं. इस विधि, सिद्धांत रूप में, कई आरोपित दोलनों (जैसे, अल्फा के एक नकारात्मक चक्र और गामा के एक साथ सकारात्मक चोटी) सहित एक पर्याप्त SNR के साथ अलग किया जा सकता है कि किसी भी दोलन के लिए चरण को लक्षित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।
वास्तविक समय ईईजी-TMS प्रयोगों का एक मुख्य सीमा है कि मस्तिष्क स्रोतों के संबंध में spatiotemporal संकल्प दृढ़ता से कलाकृति घटना और उत्तेजना की स्थिरता पर निर्भर है. इसलिए, प्रोटोकॉल की एक महत्वपूर्ण शर्त एल्गोरिथ्म के प्रदर्शन की निगरानी है (यानी, यह सुनिश्चित करना है कि उत्तेजना न्यूरॉन का पता लगाने पर होता है और प्रयोग के दौरान artifactual गतिविधि नहीं). इसके अलावा, उत्तेजना कुंडली के इष्टतम और लगातार स्थिति के लिए neuronavigation का उपयोग (विशेष रूप से ऐसे DLPFC के रूप में उत्तेजना साइटों का उपयोग कर प्रयोगात्मक प्रतिमानों में) में परिवर्तनशीलता के कारण प्रतिक्रिया परिवर्तनशीलता को कम करने के लिए उपयोगी है कुंडली की स्थिति. नोट भी, एक और सीमा के रूप में, कि विशेष रूप से चयनित और विन्यस्त EEG/EMG, TMS, और वास्तविक समय प्रसंस्करण उपकरणों की आवश्यकता है, तैयारी और इस तरह से प्रयोग के संचालन में अनुभव के साथ के रूप में प्रतिक्रिया के बाहरी स्रोतों को कम करने के लिए परिवर्तनशीलता जो तात्कालिक मस्तिष्क-अवस्था के प्रभाव को छुपा सकती है.
अंत में, हम वास्तविक समय ईजी-TMS प्रयोगों के संचालन के लिए एक मानक प्रोटोकॉल का प्रदर्शन किया और ब्याज के अंतर्जात मस्तिष्क राज्यों के उपयोग के लिए एक उपन्यास विधि शुरू की (यानी, पूर्वचयनित चरणों और एक लक्षित अंतर्जात मस्तिष्क दोलन की शक्ति) मस्तिष्क उत्तेजना को गति प्रदान करने के लिए. वास्तविक समय ईईजी-टीएमएस विधि का उपयोग कर इसके अलावा अनुसंधान methodological सुधार की अनुमति है और अध्ययन और मानव मस्तिष्क नेटवर्क के मॉडुलन के लिए प्रभावी प्रोटोकॉल के विकास की सुविधा होगी.
The authors have nothing to disclose.
C.$. चिकित्सा संकाय के चिकित्सक वैज्ञानिक कार्यक्रम से समर्थन स्वीकार करता है, टीज़बिनेन विश्वविद्यालय. U.$. जर्मन रिसर्च फाउंडेशन से समर्थन स्वीकार करता है (अनुदान $I 542/ T.O.B. जर्मन रिसर्च फाउंडेशन से समर्थन स्वीकार करता है (अनुदान BE 6091$ 2-1). J.O.N. फिनलैंड की अकादमी से समर्थन स्वीकार करता है (निर्णय संख्या 294625 और 306845). लेखकों के ओपन एक्सेस प्रकाशन कोष द्वारा समर्थन स्वीकार करते हैं टीज़बिनगेन विश्वविद्यालय के.
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 |