Estimulación cerebral dependiente del estado cerebral con estimulación magnética transcraneal activada por electroencefalografía en tiempo real

Todos los procedimientos experimentales descritos en las siguientes secciones han sido aprobados por el Comité de ética institucional siguiendo las directrices de la Declaración de Helsinki, y todos los participantes proporcionaron consentimiento informado por escrito antes de estudiar la inscripción. 1. Participantes en el estudio Contratación de temas Reclutar participantes del estudio basados en criterios de inclusión predefinidos. Los candidatos a la prueba de detección de contraindicaciones, como la presencia de dispositivos médicos implantados (por ejemplo, marcapasos cardíacos), de acuerdo con las pautas de seguridad de TMS21,o para enfermedades neurológicas o psiquiátricas y el uso de medicamentos que actúan sobre el sistema nervioso. Para los estudios que requieren imágenes por resonancia magnética (RM), evalúe a los posibles participantes en el estudio posibles contraindicaciones a la RMN de acuerdo con las normas de seguridad radiológica22. Realice un análisis de potencia para asegurarse de que la muestra de estudio es suficiente para el análisis estadístico. Opcionalmente, preseleccionar sujetos que tengan una oscilación prominente de interés en la señal extraída por el montaje EEG elegido con el fin de mejorar la precisión de la detección de fase.NOTA: En este experimento, el Laplaciano centrado en C3 (C3 se refirió al promedio de los electrodos circundantes CP1, CP5, FC1 y FC5) se utilizó para extraer el ritmo sensorimotor con el sujeto en reposo y los ojos abiertos. Preseleccionados fueron sujetos que tenían un solo pico en la banda alfa (8-14 Hz) que contiene >25% de la potencia total en el espectro de potencia de densidad de fuente de corriente (CSD). Este criterio garantizaba que la amplitud de oscilación fuera lo suficientemente grande en comparación con el ruido de fondo (buena relación señal-ruido [SNR]) para permitir que el algoritmo estimara la fase instantánea de la señal de disparo con suficiente precisión y mayor la probabilidad de observar un efecto de excitabilidad significativa11,12,28,29,30. Información del sujeto Proporcione a los sujetos el formulario de consentimiento informado relacionado con el estudio. Proporcione cuestionarios impresos de detección de seguridad de TMS y RMN.NOTA: Estos documentos y el protocolo de estudio, así como el uso de datos personales (por ejemplo, de cuestionarios) y datos humanos identificables (por ejemplo, de RMN), deben ser aprobados previamente por el comité de ética (Consejo de Revisión Institucional). Pida al sujeto que llene los cuestionarios de detección de seguridad de TMS y RMN. Adquirir el consentimiento informado por escrito para la participación en el estudio y el uso planificado de los datos. Adquirir datos demográficos. Evalúe la entrega de asignaturas utilizando inventarios estándar (por ejemplo, el inventario de entregas de Edimburgo)23. Introducir el sujeto al procedimiento de configuración y estimulación. Asegúrese de que cada participante esté familiarizado con la sensación de TMS y lo tolere bien. Adquiera la RMN para cada participante antes de las sesiones experimentales de TMS. Se requieren imágenes de RM anatómica de toda la cabeza, incluyendo la parte superior del cuero cabelludo y puntos de referencia anatómicos (es decir, el tragus de ambos oídos), ya que estos servirán como puntos fiduciarios para la neuronavegación en los pasos posteriores de este protocolo. Programar las sesiones experimentales de acuerdo con las especificaciones del protocolo de estudio (es decir, tener en cuenta los “períodos de lavado” entre los experimentos).NOTA: Idealmente, los sujetos deben venir al mismo tiempo y el mismo día de la semana en protocolos que comparan diferentes condiciones en múltiples sesiones. Indique a los participantes que se abstengan de consumir alcohol, nicotina o cafeína antes de las sesiones experimentales programadas. Los sujetos también deben haber dormido regularmente la noche antes del experimento y no estar inusualmente cansados. 2. Preparación de la configuración Sistema EEG compatible con flujo de datos en tiempo real Utilice un amplificador EEG/EMG TMS-compatible que pueda manejar los picos de voltaje inducidos por el pulso TMS.NOTA: El sistema de amplificador es necesario que un flujo de datos sin procesar esté disponible a una latencia baja constante (<5 ms) para su posterior procesamiento por un procesador en tiempo real. En este experimento, se utilizó un amplificador de bioseñal de 24 bits de 80 canales para grabaciones EEG y EMG. Configure el sistema de amplificador EEG/EMG en un filtro de paso bajo (por ejemplo, corte de 0,16 Hz) y reduzca la muestra de los datos de bioseñal a 5 kHz desde la frecuencia de muestreo en la etapa de la cabeza del amplificador. Asegúrese de que el sistema de amplificador envíe paquetes de datos que contengan los canales relevantes a través de un protocolo de datagramas de usuario (UDP) en tiempo real al procesador en tiempo real a intervalos constantes regulares de 1 ms. Utilice una alta frecuencia de muestreo (por ejemplo, 5 kHz) para capturar las respuestas EMG y minimizar el retardo del filtro de los datos EEG. Dispositivo TMS compatible con EEG Utilice un dispositivo TMS que se pueda accionar externamente con un retardo fijo y mínimo y que minimice los artefactos en la grabación simultánea del EEG (por ejemplo, el ruido de línea en el EEG a través del cable de la bobina TMS, recargando los artefactos después del pulso). Asegúrese de que la distancia entre el estimulador TMS (incluyendo la bobina y el cable de bobina) y el sistema de grabación EEG esté maximizada para reducir la interferencia eléctrica (al menos 1 m). Siempre que sea posible, apague las fuentes de interferencia electromagnética, como ventiladores y motores. Además, asegúrese de que los cables de grabación EEG y EMG estén posicionados y alineados de tal manera que la interferencia común se cancele. Sistema de procesamiento de datos EEG en tiempo realNOTA: El flujo de datos EEG en tiempo real se adquiere y analiza usando un sistema de procesamiento de señal digital en tiempo real, que entonces acciona el dispositivo TMS cuando se cumple una condición predeterminada. Dicho sistema ha sido desarrollado a medida en nuestro laboratorio11 para implementar un algoritmo de detección de fase similar al enfoque de Chen et al.24 y consta de los siguientes pasos. Analizar una ventana deslizante de datos, 500 ms de largo (Figura1a), para estimar la fase instantánea de la oscilación cerebral objetivo para desencadenar fase-específicamente el estimulador TMS. Realizar el filtrado de paso de banda de la ventana para las frecuencias de interés (por ejemplo, entre 9 y 14 Hz para el ritmo sensorimotor -alfa; Figura 1b). Considere la posibilidad de ajustar los parámetros del filtro a la frecuencia pico individual de la oscilación de destino. Elimine los datos distorsionados por los efectos de borde de filtrado. Tenga en cuenta que hay una compensación en que los filtros más fuertes tienen efectos de borde más grandes. Utilice un modelo autoregresivo para predecir hacia adelante la señal (Yule-Walker, orden 30; Figura 1c). Aplique una transformación Hilbert de la ventana de datos resultante para producir la señal analítica, a partir de la cual se determina la fase instantánea de la señal tomando el ángulo del número complejo en el punto de tiempo pertinente. Calcule el espectro de potencia eEG a partir de la ventana deslizante de datos en los contenedores de frecuencia de interés (por ejemplo, 9-14 Hz) utilizando un FFT con ventanaS Hann de corto tiempo. Cuando la fase y la potencia cumplen con un criterio predeterminado (por ejemplo, un pico negativo, el umbral de potencia mínimo), genere un pulso de salida digital (TTL) con el sistema en tiempo real para accionar el dispositivo TMS. Sistema de neuronavegación Para monitorear la posición de la bobina y lograr una focalización DE TMS precisa y consistente dentro y entre sesiones, utilice un sistema de neuronavegación.NOTA: Un sistema de cámara infrarroja estéreo se utiliza con precisión para localizar en rastreadores reflectantes de espacio tridimensionales, que se montan en la cabeza del sujeto y la bobina de estimulación, lo que permite un posicionamiento relativo preciso de la bobina con respecto al cerebro del individuo anatomía después de la calibración y el registro de resonancia magnética. Para los estudios de una sola sesión y cuando se planea analizar sólo el EMG y no las respuestas del EEG a TMS, la navegación basada en un cerebro estándar en lugar de una resonancia magnética individual es suficiente. Cargue los datos de RMN estructurales individuales en el software del sistema de navegación antes de iniciar el experimento para cada participante. Computadora de control experimental Utilice un ordenador de control experimental que esté conectado al sistema EEG, al dispositivo TMS, al dispositivo en tiempo real y al sistema de neuronavegación.NOTA: El software EEG controla el sistema de amplificadores EEG, establece parámetros e inicia y detiene el archivado de datos EEG. El dispositivo TMS se puede controlar a distancia para cambiar los parámetros de estimulación (intensidad, dirección actual, etc.) con una caja de herramientas de control remoto25. Controle de forma remota el dispositivo en tiempo real para establecer las condiciones de disparo deseadas.NOTA: El sistema de neuronavegación puede ser controlado a distancia, por ejemplo para apuntar a diferentes ubicaciones de bobinas. Combine todo lo anterior en un script de control experimental para permitir la automatización de las condiciones experimentales y el flujo de control. Electrodos de grabación EEG Asegúrese de que las tapas de grabación EEG compatibles con TMS con el diseño de electrodo deseado estén disponibles en diferentes tamaños. Mida la circunferencia de la cabeza del sujeto y prepare la tapa del tamaño adecuado. Mantenga a mano los materiales necesarios para la preparación del EEG (por ejemplo, geles abrasivos y conductores, jeringas con agujas romas estériles, etc.). Electrodos de grabación EMG Mantenga lista la superficie de los electrodos EMG, los cables y los materiales necesarios para la preparación de la piel. 3. Llevar a cabo el experimento Preliminares Asegúrese de que la documentación requerida está en orden (se firma el formulario de consentimiento del estudio) y que el participante no ha tenido efectos adversos desde la sesión anterior. Asiento el sujeto en una posición reclinable cómoda para minimizar el movimiento de la cabeza durante el experimento. Una almohada de vacío envuelta alrededor del cuello y la parte inferior de la cabeza puede ayudar a apoyar la cabeza del participante sin causar tensión muscular adicional (por ejemplo, como lo haría un descanso en la barbilla). Preparación de EEG y EMG Coloque la tapa EEG del tamaño adecuado en la cabeza del sujeto y coloque la tapa correctamente. Evite la tensión excesiva por debajo de la barbilla para reducir la actividad craneal y muscular del cuello que podría contaminar el EEG26. Registre el asunto en el software de grabación EEG. Preparar los electrodos EEG de acuerdo con el protocolo específico del laboratorio (por ejemplo, aplicar gel abrasivo seguido de gel conductor). Compruebe que las impedancias del electrodo EEG están por debajo de 5 ko. Para evitar que el gel conductor se seque o se una el tareamiento de los electrodos adyacentes por cualquier movimiento de la bobina TMS, cubra la tapa EEG con una envoltura de plástico. A continuación, coloque una tapa de red sobre la envoltura de plástico para mantener los cables en una posición fija para reducir la variabilidad de los artefactos EEG, y aplique cinta adhesiva para aumentar la estabilidad de las múltiples capas. Coloque los electrodos EMG de la superficie sobre los músculos objetivo después de haber limpiado y abrasado ligeramente la piel (por ejemplo, utilice una grabación bipolar desde el músculo de la mano brevis del abductor derecho en un montaje de la uña-tendón).NOTA: Aquí, se utilizó un registro bipolar del músculo de la mano brevis del abductor derecho en un montaje de vientre-tendón. La colocación de electrodos EMG es importante ya que los electrodos de superficie generalmente registran la actividad de múltiples músculos subyacentes. Verifique la coincidencia correcta entre los sensores EEG reales en la cabeza y las trazas registradas en el sistema EEG tocando algunos electrodos EEG para causar artefactos. Como comprobación de cordura, verifique que el alfa occipital aumente cuando el participante cierre los ojos. Inspeccione visualmente la señal EEG y EMG en curso en busca de artefactos (por ejemplo, ruido de línea, actividad muscular) o electrodos defectuosos. Asegúrese de que el participante permanezca despierto y mantenga los ojos abiertos durante todo el experimento para evitar que las oscilaciones alfa occipitales contaminen la señal. Preparación de la neuronavegación Fije el rastreador de cabeza reflectante a la cabeza del participante con suficiente cinta adhesiva para garantizar la estabilidad durante todo el experimento. Utilice la herramienta de puntero para coinscribir el modelo de cabeza con los puntos de referencia anatómicos relevantes (por ejemplo, el nasion, el tragi de ambas orejas, las esquinas de los ojos). Fije un rastreador de bobinas a la bobina de estimulación y calibre la bobina. Coloque el puntero en diferentes puntos de la superficie de la cabeza y verifique la exactitud de la posición mostrada en el monitor del sistema de neuronavegación. Localice las ubicaciones del sensor EEG para el registro previo con la RMN individual. EEG de línea base Demostrar artefactos típicos de EEG al sujeto (por ejemplo, tragar, masticar, parpadear los ojos) e instruir al sujeto para evitarlos durante todo el experimento. Además, pídales que eviten apretar la mandíbula, bostezar o hablar. Pida al sujeto que se fije en un punto con los ojos abiertos y realice una breve grabación del EEG de estado de reposo con los ojos abiertos. Si es necesario para el cálculo de filtros en tiempo real, registre la actividad adicional del EEG durante las tareas. Encontrar el “punto de acceso” del motor y determinar el umbral del motor de reposo Encuentre el “punto de acceso” del motor (es decir, la ubicación de estimulación sobre la que TMS de un solo pulso genera MEP bien formados de una amplitud comparativamente consistente en los ensayos) y guarde la posición de la bobina correspondiente (incluida la orientación de la bobina y la angulación) en la orientación de la bobina y la angulación) en la orientación de la bobina y la angulación) sistema de neuronavegación. Encuentre el umbral del motor de reposo (RMT) aplicando pulsos únicos de TMS sobre la corteza motora a aumentando gradualmente las intensidades de estimulación hasta que los eurodiputados provocados tengan amplitudes de pico a pico superiores a 50 v en más del 50% de los ensayos21. Si está disponible, utilice un script automatizado para la estimación de parámetros mediante pruebas secuenciales (PEST), por ejemplo, siguiendo una estrategia de máxima verosimilitud27 que también proporcione una estimación en línea del intervalo de confianza de RMT basado en el variabilidad de respuestas únicas y que normalmente requiere alrededor de 30 pulsos de prueba de intensidad variable adaptativa para obtener una estimación robusta de RMT. Si esta no es la primera sesión experimental, compare la posición de la bobina con la posición anterior y compare el RMT obtenido con el RMT anterior para validar la consistencia. Si es necesario, determine las intensidades de estimulación para el umbral motor activo (AMT) o para la amplitud MEP de pico a pico de 1 mV utilizando los procedimientos estándar21. Preparación final de los participantes Opcionalmente, inmovilice la cabeza del sujeto con una almohada de vacío. Opcionalmente, entregue un ruido de enmascaramiento a través de los tapones para los oídos (cuando planee analizar los potenciales EEG TMS-evoked). De lo contrario, proporcione al sujeto tapones para los oídos y auriculares para la protección auditiva. Opcionalmente, alinee y fije la bobina en la posición deseada utilizando un brazo mecánico. Validación de la calidad de los datos previos al experimento Compruebe que el procesador en tiempo real está recibiendo datos del sistema EEG. Compruebe la señal obtenida del filtro espacial EEG deseado (por ejemplo, montaje laplaciano centrado en C3) para artefactos obvios. Confirme visualmente la calidad de la señal EEG, compruebe si hay electrodos defectuosos, ruido de línea excesivo y artefactos musculares, y ajuste la ventana de tiempo y el escalado de amplitud en el software del sistema EEG para la inspección visual continua durante el experimento. Sesión experimental principal A menos que la intensidad del estimulador se controle a distancia en el script experimental, ajuste manualmente la intensidad de estimulación al valor deseado (por ejemplo, el 110% del RMT). Inicie el script experimental para aplicar pulsos en diferentes fases de la oscilación de destino en un orden aleatorio. Durante el experimento, supervise los umbrales de condición de desencadenador (umbral de detección de artefactos, umbral de preinervación, potencia mínima, etc.).NOTA: Los estímulos se activarán a intervalos irregulares, ya que el procesador en tiempo real está esperando a que se produzcan las condiciones de activación. Sin embargo, las condiciones deben establecerse de tal manera que la mayoría de los estímulos se produzcan dentro de un intervalo predecible (por ejemplo, 2-3 s después del pulso anterior), y se eviten largas pausas (por ejemplo, en este caso, >5 s), ya que estos conducirían a respuestas evocadas más grandes debido a la novedad. Alternativamente, utilice la estratificación post hoc para eliminar los ensayos después de intervalos demasiado largos. Para lograr suficiente potencia estadística para diferenciar los efectos de estimulación específicos de la fase, adquiera un número suficiente de ensayosNOTA: Por lo general, elegimos 80-120 ensayos intercalados por condición20. Documente las horas de inicio y finalización de las distintas sesiones y mantenga un registro de cualquier ocurrencia inusual.