Transkranielle Magnetstimulation zur Untersuchung Kausal Brain-Verhaltens-Beziehungen und deren Zeitverlauf

Dieser Artikel stellt ein Protokoll für die Beurteilung der kausale und zeitliche Engagement von Hirnregionen in der kognitiven Prozesse mit Online-TMS. Diese Diskussion unterstreicht die kritischen ersten Schritte für die Schaffung einer erfolgreichen TMS-Protokoll und dann die Einschränkungen, die berücksichtigt bei der Gestaltung einer TMS-Experiment werden müssen.

Da TMS Protokolle haben eine große Anzahl von freien Parametern, die Gewährleistung der optimalen Stimulationsparameter ist ein kritischer Schritt bei der Herstellung eines TMS-Experiment. Normalerweise wird diese durch umfangreiche Pilotversuche, um die Stimulationsfrequenz, Dauer, Intensität, inter-Testintervall und Spulenorientierung notwendig, um festzustellen, robust Wirkungen erzielt. Um eine effektive "virtuellen Läsion" zu schaffen muss die Frequenz eine robuste Wirkung, die ein ausreichend großes Zeitfenster, um den kognitiven Prozess von Interesse umfassen deckt induzieren. Als Ergebnis sowohl Häufigkeit und Dauer variieren zwischen den Studien. Auch die & #8220; rechts "Stimulationsintensität ist eine, die das Magnetfeld beeinflusst neuronalen Verarbeitung in der Ziel-Region des Gehirns und hier der Hauptfaktor ist, der Abstand von der Spule zu der Stimulationsstelle ⁵¹ gewährleistet. Viele Studien identifizieren die Intensität der Stimulation notwendig, eine motorische Reaktion zu erzeugen, wenn die Förderung des Handbereich der primären motorischen Kortex und nutzen diese, um Intensität über Teilnehmer ^52,53-55 normalisieren. Diese Maßnahme ist jedoch kein verlässlicher Index der optimale Intensität für nicht-motorische Bereiche ^42,51,56. Eine weitere Möglichkeit ist die gleiche Intensität für alle Teilnehmer verwenden. Die gewählte Intensität sollten wirksam in allen Pilot Untertanen nach dem Experimentieren mit verschiedenen Stimulationsintensität. Darüber hinaus ist die Spule Orientierung ein wichtiger Parameter, die Betrachtung erfordert. Die spezifische Spulenorientierung betrifft die Verteilung des induzierten elektrischen Feldes innerhalb der stimulierten Neuronenpopulation und daher beeinflussen VerhalVior. Im Allgemeinen kann veröffentlichten Protokollen, die einen Ausgangspunkt iterativ während der Pilotversuche geändert wird, um die spezifischen Experiment angepasst werden. Oft aber Informationen zu diesem Pilotversuch wird von der endgültigen Manuskript, das den unglücklichen Effekt versteckt einige der wichtigsten Aspekte des Protokolls Design-Prozess hat weggelassen.

Auswahl eines Lokalisierungsverfahrens ist auch wichtig, um sicherzustellen, daß die Stimulation der optimalen Stelle verabreicht. Obwohl viele Studien erfolgreich lokalisiert Stimulationsorte mit Anatomie-basierte Methoden, die eine einzelne Lage gegenüber einzelnen Teilnehmern ^57,58 Ziel, die Anpassung der Stimulationsstelle für jedes Thema reduziert individuell zwischen Subjekt-Varianz in der Verhaltens Ergebnisse wodurch eine effizientere Methode ^31. Hier haben wir eine TMS-basierte funktionelle Lokalisation Verfahren, die über fMRI-basierte Lokalisierungs Vorteile bietet. Insbesondere vermeidet es das Problem der unterschiedlichen räumlichen Vorspannungen werdenzwischen fMRI (dh drainierenden Venen ⁵⁹⁾ und TMS (dh die Orientierung der Axone innerhalb des Magnetfeldes ^{von 6,60),} die in der gleichen Nervenreaktion an unterschiedlichen Stellen lokalisiert führen kann. Darüber hinaus ist es gut bekannt, daß die spezifische Lage der Aktivierung "Spitzen" in fMRI kann erheblich variieren, so dass sie suboptimal TMS zielt ^55,61. Auch so eine Vielzahl von verschiedenen Lokalisierungsverfahren sind nachweislich wirksam, so dass die spezifische Wahl ist weniger wichtig, dass sichergestellt wird, dass je nachdem, welche Methode verwendet wird, bietet eine zuverlässige, reproduzierbare Effekte.

Obwohl die Versuchsdaten hier vorgestellten Reaktionszeiten als abhängige Maß verwendet wird, gibt es viele andere Optionen zur Verfügung. Zum Beispiel, einige Studien verwenden Richtigkeit statt ^9,12,62. In diesen Fällen ist die normale Leistung ohne TMS bereits unter Deckenspiegel, so dass die Wirkung durch Stimulation induziert wird, in den Genauigkeitsraten widerspiegelt.Andere Studien haben die Effekte der Stimulation auf die Augenbewegungen ^63,64 gemessen. Die meisten kognitiven Neurowissenschaften Experimente mit TMS verwenden jedoch Reaktionszeiten als abhängige Maß ^13,48,65,66. Typischerweise werden die Effekte in der Größenordnung von mehreren zehn ms oder ungefähr einer 10% igen Änderung der Reaktionszeit ^67. Was auch immer abhängig Maßnahme verwendet wird, sollte robust und konsistent sein, so dass relativ kleine Änderungen können leicht beobachtet werden.

Wie jede experimentelle Technik hat TMS wichtige Einschränkungen, die zu beachten bei der Auswahl dieser Methodik werden müssen. Die häufigsten sind: i) die räumliche Auflösung der TMS, ii) die nicht-spezifische Effekte, die mit Stimulation und iii) Sicherheitsaspekte der Methodik. Erstens hat TMS eine begrenzte Tiefenstimulation, da das Magnetfeld der Intensität verringert, je weiter es sich von der Spule. Folglich ist es zur Stimulierung Hirnregionen in der Nähe der Kopfhaut am effektivsten (~ 2 – 3 cm) ^68,69 </sup> Und ist ineffektiv bei der Förderung der tiefen Hirnstrukturen. Als Ergebnis sind die einzigen Regionen direkt zugänglich TMS kortikalen Mantel begrenzt, obwohl unterschiedlich geformten Spulen werden entwickelt, um tiefere Regionen wie den Basalganglien ⁶⁹ erreichen. TMS hat auch eine räumliche Auflösung von etwa 0,5 bis 1 cm ^47,70-72. Somit kann das Verfahren nicht verwendet werden, um die funktionalen Beiträge aus feinkörnigem räumliche Strukturen wie kortikalen Säulen untersuchen.

Eine zweite Einschränkung ist, dass der TMS-Stimulation führt gleichzeitige sensorische Nebenwirkungen als Folge des sich schnell ändernden Magnetfeldes. Vor allem ist jeder Magnetimpuls durch eine auditive Klick und einer Zapf Gefühl begleitet. Daher kann TMS ungeeignet für bestimmte auditiven oder somatosensorischen Experimenten, bei denen diese Nebenwirkungen können mit Aufgabenleistung stören. Man beachte jedoch, dass Online-TMS wurde erfolgreich in einigen Hörversuchen ^73,74 verwendet </sbis> und ist damit möglich in zumindest einigen Aufgaben. Eine weitere Überlegung ist, dass die Intensität der sensorischen Effekten unterscheidet über Kopf Standorten. Zum Beispiel, Stimulation, die zu einem Ort in der Nähe des Ohres verabreicht wird weiter weg klingen lauter als Standorte. Ebenso mehr ventralen Stellen auf dem Kopf zu produzieren größere Muskelkontraktion als dorsalen Bereiche ^75,76. Da diese Website Unterschiede experimentellen verwechselt zu induzieren, ist es wichtig, entweder eine Kontrollstelle mit ähnlichen Nebenwirkungen auf die Hauptseite wie kontralateralen Homologen ⁷⁷ verwenden oder Kontrollbedingungen / Aufgaben, die nicht in den Prozess der Zins ^24,62 Sie tippen ^{, 73,78,79.}

Schließlich, Sicherheitsüberlegungen müssen immer berücksichtigen bei der Gestaltung TMS Experimente wie kann es möglicherweise zu induzieren Synkopen und Krampfanfälle ²⁷ genommen werden. Um dieses Risiko zu minimieren, international anerkannten Leitlinien zur Stimulation Intensität, Häufigkeit und Dauer exists, als auch für die Gesamtzahl der Impulse, den Inter-trial Abständen ^27,28. Protokolle, die diesen Bedingungen bleiben wird angenommen, dass sicher für neurologisch normalen Teilnehmer zu sein. Es ist erwähnenswert, aber, dass diese noch unvollständig sind und dass oft neue TMS-Protokolle eingeführt, die sich auch als sicher. Im Allgemeinen ist die Hinweise darauf, dass, wenn veröffentlichte Richtlinien befolgt werden, ist TMS ein sicheres Verfahren ohne gefährliche Nebenwirkungen. Eine Folge dieser Grenzen, ist jedoch, dass Verhaltensprotokolle häufig angepasst werden müssen, bevor sie mit TMS verwendet werden. Dies hat Auswirkungen auf mehrere Aspekte der Konstruktion, einschließlich der Dauer des Experiments, die Anzahl der Versuche, die Anzahl von Zuständen und Stimulationsstellen, die getestet werden können. Einige dieser Einschränkungen kann durch Aufteilung der Versuch in getrennten Sitzungen, wie das Testen verschiedener Stimulationsorte an verschiedenen Tagen überwunden werden. In diesen Fällen ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Lokalisierungsund Testen einer Seite innerhalb der gleichen Sitzung durchgeführt. Dies minimiert experimentelle Varianz durch Maximieren der Genauigkeit der Ausrichtung. Bei der Entscheidung, ob ein oder mehrere Testsitzung verwenden, ist die grundlegende Einschränkung die Sicherheit der Teilnehmer – insbesondere die Höhe der Stimulation, die sicher in einer einzigen Sitzung ist. Die Gesamt Stimulation beinhaltet die Einführung, Praxis, Lokalisierung (bei Verwendung von TMS) und der Prüfung, möglicherweise über mehrere Websites und hängt maßgeblich von der Anzahl der Versuche pro Zustand. Wo diese Zahl die Leitlinien für eine einzelne Session überschreitet, ist es notwendig, das Experiment in mehreren Sitzungen zu brechen, durchgeführt, ein Minimum von 24 Stunden auseinander. Es gibt keine Hard-und-schnell Regeln für die Mindestanzahl von TMS-Studien für Experimente notwendig, aber wie jedes Experiment, können diese mit Standard-Leistungsberechnungen auf der Basis der Effektgröße, Varianz, α-Ebene (in der Regel 0,05) berechnet und erwünscht Empfindlichkeit. Oft vernünftigen Schätzungen desder Effekt Größe und Varianz sind als Ergebnis der umfangreichen Pilottests durchgeführt, um das Versuchsprotokoll optimieren erhältlich.

Zusammenfassend TMS ist zu einem wichtigen Werkzeug mit breiten Anwendungen kognitiven Neurowissenschaften. Dieser Artikel enthält eine Basisprotokoll für Online-TMS in Verbindung mit einer Verhaltensaufgabe zur Untersuchung von Gehirn-kausalen Verhaltens Beziehungen sowohl im "virtuellen Läsion"-Modus und auch eine Zeitmesswerkzeug für die Erkundung der zeitlichen Dynamik von regional-spezifischen neuronalen Informationsverarbeitung.