Мозг государство-зависимых стимуляции мозга с электроэнцефалографии в режиме реального времени-Triggered Транскраниальной магнитной стимуляции

Все экспериментальные процедуры, описанные в следующих разделах, были утверждены Комитетом по институциональной этике в соответствии с руководящими принципами Хельсинкской декларации, и все участники предоставили письменное информированное согласие до зачисления в учебные группы. 1. Участники исследования Тематический набор Набирать участников исследования на основе заранее определенных критериев включения. Экран кандидатов на противопоказания, такие как наличие имплантированных медицинских устройств (например, кардиостимулятор), в соответствии с TMS безопасности руководящих принципов21, или для неврологических или психиатрических заболеваний и использования препаратов, которые действуют на нервную систему. Для исследований, требующих магнитно-резонансной томографии (МРТ), оценить потенциальных участников исследования для возможных противопоказаний к МРТ в соответствии с радиологическими стандартами безопасности22. Провести анализ мощности для обеспечения того, чтобы выборка исследования была достаточной для статистического анализа. Дополнительно, preselect вопросы имея видно колебание интереса в сигнале извлеченном выбранным montage EEG для того чтобы улучшить точность обнаружения участка.ПРИМЕЧАНИЕ: В этом эксперименте, C3-центре Laplacian (C3 ссылки на средний окружающих электродов CP1, CP5, FC1, и FC5) был использован для извлечения сенсомоторного ритма с предметом в состоянии покоя и глаза открыты. Предварительно отобраны субъекты, имеющие один пик в альфа-диапазоне (8-14 Гц), который содержит 25% от общей мощности в текущем спектре мощности источника плотности (CSD). Этот критерий обеспечил, что амплитуда колебаний была достаточно большой по сравнению с фоновым шумом (хорошее соотношение сигнала к шуму (SNR), чтобы позволить алгоритму оценить мгновенную фазу триггерного сигнала с достаточной точностью и повышается вероятность наблюдения значительного возбудимости11,12,28,29,30. Информация по тематике Предоставьте испытуемым форму информированного согласия, связанную с исследованием. Предоставьте печатные вопросники для проверки безопасности TMS и МРТ.ПРИМЕЧАНИЕ: Эти документы и протокол исследования, а также использование персональных данных (например, из вопросников) и идентифицируемых человеческих данных (например, мРТ) должны быть предварительно утверждены комитетом по этике (Институциональный наблюдательный совет). Попросите данную тему заполнить анкеты tMS и МРТ по безопасности. Приобретение письменного информированного согласия на участие в исследовании и планируемое использование данных. Получение демографических данных. Оцените предметную передачу с использованием стандартных запасов (например, Эдинбургский инвентарь handedness)23. Ввести предмет процедуры настройки и стимуляции. Убедитесь, что каждый участник знаком с ощущением TMS и переносит его хорошо. Приобретение МРТ для каждого участника до экспериментальных сессий TMS. Требуются анатомические изображения с цельной головой, включая верхнюю часть кожи головы и анатомические ориентиры (т.е. трагус обоих ушей), так как они будут служить фидуциальными точками для нейронавигации в последующих шагах этого протокола. Расписание экспериментальных сессий в соответствии со спецификациями протокола исследования (т.е. учитывать “периоды вымывания” между экспериментами).ПРИМЕЧАНИЕ: В идеале испытуемые должны приходить одновременно и в один и тот же день недели в протоколах, сравнивая различные условия в нескольких сеансах. Поручить участникам воздерживаться от употребления алкоголя, никотина или кофеина перед запланированными экспериментальными сессиями. Испытуемые должны были также иметь свой регулярный сон в ночь перед экспериментом и не быть необычно устал. 2. Подготовка к настройке Система ЭЭГ в режиме реального времени и потоков, способная к эЭГ Используйте усилитель EEG/EMG, совместимый с TMS/EMG, который может обрабатывать скачки напряжения, вызванные импульсом TMS.ПРИМЕЧАНИЕ: Система усилителей должна сделать необработанный поток данных доступным при постоянной низкой задержке (Злт;5 мс) для последующей обработки процессором в режиме реального времени. В этом эксперименте для записи ЭЭГ и ЭМГ использовался 24-разрядный 80-канальный усилитель биосигналов. Настроят систему усилителей ЭЭГ/ЭМГ на фильтр с низким проходом (например, отсечение 0,16 Гц) и снимите пробы данных биосигнала до 5 кГц от скорости отбора проб на стадии головки усилителя. Убедитесь, что система усилителя отправляет пакеты данных, содержащие соответствующие каналы, через протокол datagram пользователя в режиме реального времени (UDP) в обработчик в режиме реального времени с регулярными постоянными интервалами в 1 мс. Используйте высокую частоту выборки (например, 5 кГц) для сбора ответов ЭМГ и минимизации задержки фильтра данных ЭЭГ. ЭЭГ-совместимое устройство TMS Используйте устройство TMS, которое может быть запущено снаружи с фиксированной и минимальной задержкой и которое сводит к минимуму артефакты в одновременной записи ЭЭГ (например, линейный шум в ЭЭГ через катушку TMS, подзарядку артефактов после импульса). Убедитесь, что расстояние между стимулятором TMS (включая катушку и кабель катушки) и системой записи ЭЭГ максимально для уменьшения электрических помех (не менее 1 м). Там, где это возможно, выключите источники электромагнитных помех, таких как вентиляторы и двигатели. Кроме того, убедитесь, что EEG и ЭмГ записи приводит расположены и выровнены таким образом, что общие помехи отменяет. Система обработки данных ЭЭГ в режиме реального времениПРИМЕЧАНИЕ: Поток данных ЭЭГ в реальном времени приобретается и анализируется с помощью системы обработки цифрового сигнала в реальном времени, которая затем запускает устройство TMS при выполнении предопределенного состояния. Такая система была специально разработана в нашей лаборатории11 для реализации алгоритма обнаружения фазы, аналогичного подходу Chen et al.24, и состоит из следующих шагов. Проанализируйте раздвижное окно данных, 500 мс длиной(рисунок 1a),чтобы оценить мгновенную фазу колебаний мозга цели к фазе, специально вызвать стимулятор TMS. Выполните фильтрацию полостак в окне для интересующих частот (например, от 9 до 14 Гц для сенсорного альфа-ритма; Рисунок 1b). Рассмотрите возможность регулировки параметров фильтра к индивидуальной пиковой частоте колебаний цели. Удалите все данные, искаженные эффектами фильтрующих краев. Обратите внимание, что есть компромисс в том, что более сильные фильтры имеют большие эффекты края. Используйте авторегрессивную модель для прогнозирования сигнала (Yule-Walker, заказ 30; Рисунок 1c). Примените преобразование Гильберта результирующего окна данных для получения аналитического сигнала, из которого определяется мгновенная фаза сигнала, взяв угол сложного числа в соответствующую точку времени. Оцените спектр мощности ЭЭГ из раздвижного окна данных в частотных ячейках интереса (например, 9-14 Гц) с помощью кратковременного FFT с окнами Hann. Когда фазы и мощность соответствуют заранее заданного критерию (например, отрицательному пику, минимальному порогу мощности), генерируйте импульс цифровой выход (TTL) с системой в реальном времени для запуска устройства TMS. Нейронавигационная система Для мониторинга положения катушки и достижения точной и последовательной ориентации TMS внутри и между сеансами и между ним и между сеансами используйте нейронавигационную систему.ПРИМЕЧАНИЕ: Система стерео инфракрасной камеры используется именно для определения местонахождения в трехмерном пространстве отражающих трекеров, которые устанавливаются на голову субъекта и катушки стимуляции, что позволяет точное относительное позиционирование катушки по отношению к мозгу человека анатомия после калибровки и регистрации МРТ. Для односессионных исследований и при планировании анализа только ЭМГ, а не ЭЭГ-реакции на ТМС, достаточно навигации на основе стандартного мозга вместо индивидуальной МРТ. Загрузите отдельные структурные данные МРТ в программное обеспечение навигационной системы до начала эксперимента для каждого участника. Экспериментальный компьютер управления Используйте экспериментальный компьютер управления, который подключен к системе ЭЭГ, устройству TMS, устройству в режиме реального времени и системе нейронавигации.ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение ЭЭГ управляет системой усилителей ЭЭГ, устанавливает параметры и запускает и останавливает архивирование данных ЭЭГ. Устройство TMS может быть с дистанционным управлением для изменения параметров стимуляции (интенсивность, направление и т.д.) с пультом инструментов с дистанционным управлением25. Дистанционно управляйте устройством в режиме реального времени, чтобы установить желаемые условия триггера.ПРИМЕЧАНИЕ: Система нейронавигации может быть дистанционно управляемой, например, для целевой различных местоположений катушки. Объедините все вышеперечисленное в экспериментальном сценарии управления, чтобы обеспечить автоматизацию экспериментальных условий и контрольный поток. ЭЭГ-запись электродов Убедитесь, что TMS-совместимые Колпачки записи ЭЭГ с желаемой компоновкой электрода доступны в различных размерах. Измерьте окружность головы субъекта и подготовьте крышку соответствующего размера. Держите под рукой необходимые материалы для подготовки КГЭ (например, абразивные и проводящие гели, шприцы со стерильными тупыми иглами и т.д.). Электроды записи ЭМГ Держите приготовительные электроды ЭМГ, провода и необходимые материалы для подготовки кожи. 3. Проведение эксперимента Отборочные Убедитесь, что необходимые документы в порядке (форма согласия исследования подписана) и что участник не имел никаких побочных эффектов с предыдущей сессии. Усадите объект в удобное положение, чтобы свести к минимуму движение головы во время эксперимента. Вакуумная подушка, обернутая вокруг шеи и нижней головы, может помочь поддержать голову участника, не вызывая дополнительного мышечного напряжения (например, как бы сделал подбородок). Подготовка ЭЭГ и ЕМГ Поместите соответствующий размер ЭЭГ крышка на голову субъекта и положение крышку правильно. Избегайте чрезмерного напряжения ниже подбородка, чтобы уменьшить активность мышц черепа и шеи, которые могут загрязнить ЭЭГ26. Зарегистрируйте предмет в программном обеспечении для записи ЕГЭ. Подготовка эЭГ-электродов в соответствии с лабораторно-специфическим протоколом (например, нанесите абразивный гель с последующим проводящий гель). Убедитесь, что эЭГ-электродные импедансы находятся ниже 5 кЗ. Чтобы дирижирующий гель не высох или смазывался на соседние электроды любым движением катушки TMS, накройте крышку ЭЭГ полиэтиленовой пленкой. Затем, подходят чистый колпачок над полиэтиленовой пленкой, чтобы держать кабели в фиксированном положении, чтобы уменьшить эЭГ-артефакт вариабельность, и применять клеевую ленту для повышения стабильности нескольких слоев. Прикрепите поверхностные электроды ЭМГ над мышцами-мишенями после того, как они очистили и слегка пограбили кожу (например, используйте биполярную запись от правого похитителя pollicis brevis ручной мышцы в животе-тендона монтаж).ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь, биполярная запись от правого похитителя pollicis brevis мышцы руки в животе-тендон монтаж был использован. Размещение электродов ЭМГ важно, так как поверхностные электроды обычно фиксируют активность нескольких основных мышц. Проверьте правильное соответствие между фактическими датчиками ЭЭГ на голове и следами, записанными в системе ЭЭГ, нажав на несколько электродов ЭЭГ, чтобы вызвать артефакты. Как проверка вменяемости, убедитесь, что затылочной альфа увеличивается, когда участник закрывает глаза. Визуально осматривать текущий сигнал ЭЭГ и ЭМГ на наличие артефактов (например, линейного шума, мышечной активности) или плохих электродов. Убедитесь, что участник бодрствует и держит глаза открытыми на протяжении всего эксперимента, чтобы избежать затылочных альфа-колебаний, загрязняющих сигнал. Подготовка нейронавигации Прикрепите светоотражающий головной трекер к голове участника достаточно клейкой лентой для обеспечения стабильности на протяжении всего эксперимента. Используйте инструмент указателя для кодификатора головной модели с соответствующими анатомическими ориентирами (например, назион, траги обоих ушей, углы глаз). Прикрепите катушки трекер к катушке стимуляции и откалибровать катушки. Поместите указатель в разных точках на поверхность головы и проверьте правильность отображаемого положения на мониторе нейронавигационной системы. Определить местоположения датчика ЭЭГ для корегистрации с помощью индивидуальной МРТ. Базовый ЭЭГ Продемонстрируйте типичные артефакты ЭЭГ этому предмету (например, глотание, жевание, мигает глаз) и проинструктируйте испытивную тему, чтобы избежать их на протяжении всего эксперимента. Кроме того, попросите их, чтобы избежать челюсти сжимая, зевая, или говорить. Попросите субъекта зафиксировать точку с открытыми глазами и выполнить короткую запись ЭЭГ с открытыми глазами. Если требуется для расчета фильтров в реальном времени, запишите дополнительную активность ЭЭГ во время выполнения задач. Поиск “горячей точки” двигателя и определение порога отдыха Найти мотор “горячую точку” (т.е. место стимуляции, над которой одноимпульсный TMS вызывает хорошо сформированную MEPs сопоставимо последовательной амплитуды через испытания) и сохранить соответствующее положение катушки (в том числе ориентации катушки и ангуляции) в нейронавигационная система. Найти порог отдыха двигателя (RMT) путем применения одного Импульсы TMS над моторной коры при постепенном увеличении интенсивности стимуляции до тех пор, пока вызвали MEPs имеют пик-пик амплитуды больше, чем 50 КВ в более чем 50% испытаний21. При наличии, используйте автоматизированный скрипт для оценки параметров путем последовательного тестирования (PEST), например, следуя стратегии максимальной вероятности27, которая также обеспечивает онлайн-оценку доверительного интервала RMT на основе наблюдаемого вариативность отдельных ответов и которые обычно требуют около 30 тестовых импульсов адаптивно различной интенсивности для получения надежной оценки RMT. Если это не первая экспериментальная сессия, сравните позицию катушки с предыдущей позицией и сравните полученный RMT с предыдущим RMT для проверки согласованности. При необходимости определите интенсивность стимуляции для активного порога двигателя (AmT) или для амплитуды от 1 мВ от пика до пика MEP с использованием стандартных процедур21. Окончательная подготовка участника Дополнительно обездвижить голову предмета с помощью вакуумной подушки. Дополнительно, доставить маскировки шума через затычки для ушей (при планировании анализа TMS-вызванных ЭЭГ потенциалов). В противном случае, обеспечить предмет с затычками для ушей и наушники для защиты слуха. Дополнительно выровнять и зафиксировать катушки в нужном положении с помощью механической руки. Предэкспериментная проверка качества данных Убедитесь, что процессор в режиме реального времени получает данные из системы ЭЭГ. Проверьте сигнал, полученный из желаемого пространственного фильтра ЭЭГ (например, C3-центрlapian монтаж) для очевидных артефактов. Визуально подтверждаю качество сигнала ЭЭГ, проверяйте наличие плохих электродов, чрезмерного линейного шума и мышечных артефактов, а также корректируйте временное окно и амплитуду, масштабируя программное обеспечение системы ЭЭГ для постоянного визуального осмотра во время эксперимента. Основная экспериментальная сессия Если интенсивность стимулятора в экспериментальном скрипте не контролируется с дистанционным управлением, вручную установите интенсивность стимуляции до желаемого значения (например, 110% РМТ). Начните экспериментальный сценарий для применения импульсов на разных стадиях колебаний цели в рандомизированном порядке. Во время эксперимента следите за пороговыми значениями состояния триггера (порог обнаружения артефактов, порог до иннервации, минимальная мощность и т.д.).ПРИМЕЧАНИЕ: Стимулы будут срабатывать через нерегулярные промежутки времени, так как процессор в режиме реального времени ждет возникновения условий триггера. Тем не менее, условия должны быть установлены таким образом, что большинство стимулов происходят в течение предсказуемого интервала (например, 2-3 с после предыдущего импульса), и длительные паузы (например, в данном случае, в случае, sgt;5 s) избегаются, поскольку они приведут к большему вызвал ответы из-за новизны. Кроме того, используйте после специального стратификации, чтобы удалить испытания после чрезмерно длинных интервалов. Для достижения достаточной статистической мощности для дифференциации эффектов стимуляции специфических фаз, приобрести достаточное количество исследованийПРИМЕЧАНИЕ: Обычно мы выбирали 80-120 межливой испытаний на состояние20. Документируйте время начала и окончания различных сеансов и храните записи о любых необычных случаях.