JoVE Journal > Behavior
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
español

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Behavior

Estimulación magnética transcraneal para Investigar las relaciones causales Brain-conductuales y su Curso de Tiempo

Published: July 18, 2014
doi:
10.3791/51735
, ,
1Cognitive, Perceptual & Brain Sciences,University College London

Summary

La estimulación magnética transcraneal (TMS) es una técnica no invasiva para interrumpir el procesamiento de información neuronal y la medición de su efecto en el comportamiento. Cuando TMS interfiere con una tarea, se indica que la región del cerebro estimulado es necesario para la ejecución de tareas normales, permitiendo que uno se refieren sistemáticamente regiones del cerebro de las funciones cognitivas.

Abstract

La estimulación magnética transcraneal (EMT) es una técnica de estimulación cerebral seguro, no invasivo que utiliza un potente electroimán para interrumpir temporalmente el procesamiento de información en una región del cerebro, generando una efímera "lesión virtual." Estimulación que interfiera con el desempeño de tareas indica que la región del cerebro afectado si es necesario para llevar a cabo la tarea normalmente. En otras palabras, a diferencia de los métodos de neuroimagen, como la resonancia magnética funcional (fMRI) que indican las correlaciones entre el cerebro y el comportamiento, TMS se puede utilizar para demostrar relaciones causales cerebro-conducta. Además, mediante la variación de la duración y la aparición de la lesión virtual, TMS puede también revelar el curso del tiempo de procesamiento normal. Como resultado, el TMS se ha convertido en una herramienta importante en la neurociencia cognitiva. Ventajas de la técnica sobre estudios de la lesión con déficit incluyen una mejor precisión espacial-temporal del efecto de interrupción, la capacidad de utilizar los participantes como su propio cosujetos ntrol y la accesibilidad de los participantes. Las limitaciones incluyen auditiva concurrente y la estimulación somatosensorial que pueden influir en la ejecución de tareas, el acceso limitado a las estructuras de más de unos pocos centímetros de la superficie del cuero cabelludo, y el espacio relativamente grande de parámetros libres que necesitan ser optimizados con el fin para el experimento a trabajar. Los diseños experimentales que dan una cuidadosa consideración a las condiciones apropiadas de control ayudan a hacer frente a estas preocupaciones. Este artículo ilustra estos temas con resultados TMS que investigan las contribuciones espaciales y temporales de la circunvolución supramarginal izquierda (SMG) a la lectura.

Introduction

La estimulación magnética transcraneal (TMS) es una herramienta segura y no invasiva utilizada para la estimulación cerebral. Se utiliza una corriente eléctrica que cambia rápidamente dentro de una bobina conductora para generar un fuerte, pero el campo relativamente focal, magnético. Cuando se aplica en el cuero cabelludo, el campo magnético induce la actividad eléctrica en el tejido cerebral subyacente, lo que altera temporalmente el procesamiento de información cortical local. Esta interferencia transitoria efectivamente crea una "lesión virtual" de corta duración 1,2. Esta técnica ofrece un método no invasivo para extraer inferencias causales cerebro-conducta y la investigación de la dinámica temporal de procesamiento de la información neural en línea, tanto en adultos sanos y en pacientes neurológicos.

Al interferir selectivamente con el procesamiento cortical regional específica, TMS puede ser usado para dibujar vínculos causales entre las regiones del cerebro y los comportamientos específicos 3,4. Es decir, si la estimulación de un área cortical significativamenteafecta a la ejecución de tareas en relación con las condiciones de control apropiadas, esto indica que el área estimulada es necesario para realizar la tarea normalmente. Inferencias causales de este tipo son una de las principales ventajas de la TMS sobre los métodos de neuroimagen como la resonancia magnética funcional (fMRI) o la tomografía por emisión de positrones (PET). A diferencia de las técnicas de neuroimagen que miden la actividad neuronal y se correlacionan con el comportamiento, TMS ofrece la posibilidad de perturbar el procesamiento de información neuronal y medir sus efectos sobre el comportamiento. En este sentido, es más como analiza lesión déficit tradicional en pacientes con daño cerebral, salvo que la EMT no es invasiva y los efectos son temporales y reversibles. TMS también tiene varias ventajas sobre los estudios de lesiones. Por ejemplo, los efectos de la estimulación son generalmente más espacialmente preciso que las lesiones de origen natural, que a menudo son grandes y varían mucho entre pacientes. Además, los participantes pueden ser usados ​​como sus propios controles, thereby evitando el tema de las posibles diferencias en las habilidades de pre-mórbidas entre pacientes y controles. Por último, no hay tiempo suficiente para la reorganización funcional que tenga lugar durante el TMS, lo que significa que los procesos de recuperación es poco probable que confundir los resultados 5. En otras palabras, TMS ofrece una poderosa herramienta para la investigación de las relaciones causales del cerebro-comportamiento que complementa las técnicas correlativas tales como la neuroimagen funcional.

TMS también se pueden utilizar para investigar el curso del tiempo de procesamiento de la información neuronal mediante el uso de ráfagas muy cortas de estimulación y variando el inicio de la estimulación 6. Típicamente esto implica ya sea una sola o doble TMS pulso entregado a una región en diferentes puntos de tiempo dentro de un ensayo. Debido a que el efecto de un impulso individual TMS inmediata y que dure entre 5 y 40 ms de 7-10, lo que permite al investigador para trazar la dinámica temporal de la actividad neuronal regional incluyendo su Onset, duración, y compensar 11,12. La duración de esta interrupción limita la resolución temporal de la técnica a 10s de mseg, más o menos un orden de magnitud más gruesa que la electroencefalografía (EEG) y magnetoencefalografía (MEG). Por otro lado, los tiempos observados en los estudios de TMS cronométricos tienden a coincidir con los de las grabaciones neurofisiológicos invasivos mejor que el EEG y MEG 9,13. Es de suponer que esto se debe a EEG y MEG miden sincronía neuronal a gran escala que está por detrás del inicio más temprano de la actividad 14. Además, como la fMRI y PET, EEG y MEG son medidas correlativas de la actividad de todo el cerebro, mientras que la EMT cronométrico no sólo puede proporcionar información importante sobre la dinámica temporal regionales, sino también sobre la necesidad de la región por un determinado comportamiento.

Aunque TMS fue desarrollado originalmente para la investigación de la fisiología del sistema motor 15, que fue rápidamente adoptado como una herramienta valiosa para cognitive la neurociencia. Una de sus aplicaciones más tempranas como una técnica de "lesión virtual" fue para inducir la detención del habla mediante la estimulación de la corteza frontal inferior izquierda 16-18. Los resultados confirmaron la importancia del área de Broca para la producción del habla y sugirió una posible alternativa a la prueba de Wada para determinar la dominancia lenguaje posterior a las intervenciones neuroquirúrgicas 16,19. Ahora TMS se utiliza en casi todas las áreas de la neurociencia cognitiva, incluyendo la atención 20, la memoria 21, el procesamiento visual 22, la planificación de la acción 23, haciendo 24 de decisiones y el procesamiento del lenguaje 25. Típicamente TMS induce o bien aumento de las tasas de error o los tiempos de reacción más lentos (RT), ambos de los cuales se toman como indicadores de las relaciones causales entre el cerebro y el comportamiento 3,4. Algunos estudios utilizan TMS tanto en su modo de lesión virtual y como una herramienta cronométrico. Por ejemplo, Lanzador y sus colegas mostraron que 11 primero repetitivo TMS(EMTr) entregados al área de la cara occipital interrumpidos discriminación facial precisa y luego usaron cronométrico TMS para determinar que este efecto sólo estaba presente cuando TMS fue entregado a los 60 y 100 milisegundos, lo que demuestra que esta región particular del cerebro procesa la información cara parte en una etapa temprana etapa de reconocimiento de rostros. En todos los ejemplos que se mencionan aquí, TMS se administra "on-line", es decir, durante la ejecución de tareas, por lo que los efectos de la EMT son inmediatos y de corta duración (es decir, los efectos duran tanto como la duración de la estimulación). Esto contrasta con TMS "off-line", que implica ya sea tramos largos de estimulación de baja frecuencia 21 o ráfagas cortas de estimulación con dibujos 26 antes de comenzar una tarea. En off-line TMS los efectos duran mucho más allá de la duración de la aplicación TMS sí mismo. Este artículo se centra exclusivamente en el enfoque de "on-line".

Los pasos iniciales para la preparación de cualquier TMS eXperiment incluye la identificación de un protocolo de estimulación y la elección de un método de localización. Parámetros de estimulación incluyen la intensidad, frecuencia y duración de la EMT y se ven limitadas por los requisitos de seguridad definidos internacionalmente 27,28. Cada experimento TMS también requiere de un procedimiento de localización adecuado para el posicionamiento y la orientación de la bobina con precisión sobre el sitio de estimulación. La localización se puede basar en el espacio estándar de coordenadas 29 o 10 a 20 del sistema de localización 30, pero típicamente es personalizado para cada participante individual 31. En este último caso, hay muchas opciones que incluyen la estimulación orientación basados ​​en la anatomía de cada persona 32, funcionalmente de localización utilizando fMRI 33 o funcionalmente localización utilizando TMS 34. El protocolo que aquí se presenta aboga localización funcional con TMS como parte de un protocolo general para los experimentos del TMS en línea. A continuación, un ejemplo ilustrativo se presenta de cómo se puede utilizar TMSpara investigar las contribuciones funcionales de la circunvolución supramarginal izquierda (SMG) para el procesamiento fonológico en la lectura.

Protocol

Este protocolo fue aprobado por el Comité de Revisión Ética de la UCL (# 249/001) para la estimulación cerebral no invasiva de voluntarios neurológicamente normales. 1. Crear el protocolo de TMS Casi todos los experimentos del TMS de la neurociencia cognitiva utilizan estimulación bifásica en combinación con una bobina en forma de figura de ocho. Esto proporciona la capacidad de entregar los trenes rápidos de pulsos (> 1 Hz) y se dirigen a un sitio cortical con la mayor precisión posible. Es posible utilizar la estimulación monofásica 35 o una forma diferente de la bobina 36, pero aquí se aplicó la configuración estándar. Elija una frecuencia y duración de la estimulación. NOTA: Una opción común en la neurociencia cognitiva es usar 10 Hz estimulación de 500 ms desde el inicio del 37-40 de estímulo. Elija un nivel de intensidad en base a extensas pruebas piloto. Manténgalo constante entre los participantes. NOTA: Para el equipo uSED aquí, intensidades comúnmente utilizados oscilan entre 50 – 70% de la salida máxima estimulador 11,41-44. Elija un intervalo entre ensayos. Por razones prácticas y de seguridad, separar los ensayos de estimulación por un mínimo de 3 – 5 segundos 27,45. 2. Realizar Jefe de Registro Adquirir una alta resolución, imágenes de resonancia magnética anatómica ponderada en T1 (IRM) para cada participante en una sesión separada antes de la TMS. Incluir los puntos fiduciales en la imagen que se utilizará en el paso 2.3. Cargue el escaneo en el sistema de estereotaxia sin marco antes de la sesión de TMS para disparar con acierto de los sitios de estimulación en cada participante. Marque los lugares de estimulación sobre la cabeza al comienzo del experimento o supervisar continuamente durante todo el experimento. Marque cuatro puntos fiduciales en la imagen del participante. Normalmente, estos incluyen la punta de la nariz, el puente de la nariz, y la noch encima del trago de cada oído. Proporcione la información de los participantes acerca de la EMT con el fin de que den su consentimiento informado para participar en el experimento. Pida al participante que complete un formulario de pantalla TMS Seguridad que ha sido aprobado por la Junta de Revisión Institucional. NOTA: contradicciones permanentes ante TMS incluyen antecedentes personales o familiares de epilepsia, una historia clínica de problemas neurológicos o psiquiátricos, o dispositivos médicos implantados, como un marcapasos cardíaco o implantes cocleares. Los requisitos de seguridad no se siguen TMS potencialmente pueden inducir síncope y convulsiones. Coloque el seguidor sujeta en la cabeza del participante; que actuará como una referencia en la medición de puntos fiduciales. Toque cada punto fiduciario en la cabeza del sujeto con un puntero que viene con el sistema de estereotaxia y guardar las correspondientes coordenadas en la computadora. Calibrar la cabeza del sujeto con la imagen de MRI. Compruebe la calidad de registro y repeticiónel proceso si es necesario. Pídale al participante que use tapones para los oídos durante la estimulación para atenuar el ruido de la descarga de la bobina y evitar daños a la audición de los participantes 46. Configure la máquina TMS acuerdo con las decisiones tomadas en la Sección 1. Introducir al participante a la estimulación antes de la prueba para asegurar que el participante se familiarice con su sensación y se tolera bien. En primer lugar demostrar la estimulación en el brazo del investigador y luego en el brazo del participante para aclimatarse a la persona con la sensación. NOTA: Esto es especialmente importante para los participantes que están experimentando TMS por primera vez. Demostrar el protocolo de estimulación en cada uno de los sitios de prueba como la sensación puede ser diferente en diferentes ubicaciones. Coloque la bobina en el primer sitio como se identifica por el sistema de estereotaxia sin marco de tal manera que la bobina es tangencial al cuero cabelludo y la línea de máximo flujo magnético cruza el Stsitio imulated. NOTA: La estimulación a veces afecta a los nervios faciales o de los músculos y puede dar lugar a molestias por lo que es importante para poner a prueba si el participante lo tolera bien. 3. Lleve a cabo la localización funcional Optimizar el sitio de estimulación mediante la personalización a cada participante. Marque varios puntos de estimulación potenciales dentro de la región del cerebro de los intereses sobre la imagen estructural del participante. Localizar objetivos, al menos de 10 mm el uno del otro debido a la resolución espacial de TMS 47 utilizando una cuadrícula o anatómica marcado (Figura 1). Elija una tarea localizador que se nutre de la función cognitiva de interés y tiene un comportamiento medible (por ejemplo, tiempos de reacción, precisión, movimientos oculares). Repetir la tarea varias veces al probar los posibles sitios y crear diferentes versiones de la tarea de evitar la repetición constante de los estímulos. Permita a los participantes practican la tarea sinestimulación hasta que se sientan cómodos con ella. Luego introducir un segunda sesión de entrenamientos con TMS azar (o pseudo-azar) presentado el 50% de los ensayos para que el participante se acostumbra a realizar la tarea sin ser distraídos por la estimulación. Elige un sitio de prueba y ejecutar una versión de la tarea del localizador. Inmediatamente después comprobar los resultados para ver si la estimulación afectado el rendimiento. NOTA: En muchos casos, la estimulación de un sitio "incorrecto" en realidad se va a facilitar las respuestas relativas a la no estimulación debido a la facilitación intersensorial 2, en este caso debido a oír los clics y sentir la sensación de estimulación en el cuero cabelludo. Además, los grandes efectos de la estimulación (es decir, más de 100 ms) a menudo son los artefactos y requieren volver a probar. Si se replican y son específicos para un sitio particular de prueba, a continuación, que pueden ser efectos auténticos. Asegúrese de elegir una medida robusta de un efecto TMS tener confianza en localización. Si no se observa ningún efecto, elegir un nuevo lugar de la prueba y repetir, si no probar el mismo sitio de nuevo para determinar si se replica. Pruebe varios sitios-back-to-back en la misma sesión para asegurarse de que no todos producen un efecto que esto indicaría un efecto TMS no específica. Contrarrestar el fin de que los sitios son estimulados a través de los participantes. 4. Tarea principal Después de la localización y en la misma sesión, ejecute el experimento principal mediante el sitio de destino que fue localizado funcionalmente. NOTA: Esto implicará una tarea diferente a la utilizada en la localización, pero uno que comparte el proceso clave de interés. Por ejemplo, una tarea de juicio la rima puede ser utilizado para la localización de un área sensible al procesamiento de los sonidos de las palabras mientras que una tarea de juicio homófono podría ser utilizado para el experimento principal. En este ejemplo, las dos tareas requieren procesamiento fonológico de las palabras escritas a pesar de las demandas de las tareas específicas y estimularli difieren. Incluya las condiciones de control suficientes para descartar efectos no específicos de la EMT. Pruebe el mismo sitio en una tarea de control que no incluye el proceso de interés para demostrar la especificidad funcional en el procesamiento. Probar un sitio diferente en la tarea principal de demostrar la especificidad anatómica del efecto. Incluya las condiciones de control adicionales, como la EMT simulada, control de estímulos, o múltiples ventanas de tiempo. Llevar a cabo un experimento tradicional "lesión virtual" utilizando los mismos parámetros TMS utilizados durante la localización (por ejemplo, la intensidad, frecuencia y duración de la estimulación). Para cronométrico experimento TMS, utilice la misma intensidad, pero reemplazar el tren de pulsos se utilizan durante la localización, ya sea una sola o doble pulso 48 49 entregados en distintos latencias de aparición.

Representative Results

La Figura 2 ilustra los resultados de dos experimentos TMS mencionados como ejemplos. A saber, el primero investigó si la SMG queda es causalmente implicados en el procesamiento de los sonidos de las palabras, mientras que el segundo investigó la dinámica temporal de esta participación. Figura 2A muestra resultados representativos del primer experimento donde EMT (de 10 Hz, 5 pulsos, el 55% de máxima intensidad) fue entregado a SMG durante tres tareas. La tarea fonológica se centró la atención en los sonidos de las palabras ("¿Los suenan igual que estas dos palabras? Sabe-nariz"), mientras que la tarea semántica se centró en su significado ("¿Estas dos palabras significan lo mismo? Idea-noción"). Una tarea tercer control presentó pares de cadenas de letras consonantes y le preguntó si eran idénticos ("wsrft-wsrft"). Cada tarea consistió en 100 ensayos. Los resultados demostraron que la EMT aumentó significativamente RTs en relación con ningún stimulation en la tarea fonológica en un promedio de 37 mseg. En contraste, la estimulación SMG no tuvo ningún efecto significativo en los tiempos de reacción en las tareas de control semánticos o ortográficos. En otras palabras, una "lesión virtual" de la SMG izquierda interferido selectivamente con el procesamiento de los sonidos de las palabras, lo que indica la necesidad de SMG en el procesamiento de los aspectos fonológicos de palabras escritas 44. La figura 2B muestra resultados representativos de la experimento cronométrico explorar el curso del tiempo de procesamiento fonológico dentro de SMG. Aquí, doble TMS pulso se entregó a las cinco ventanas de tiempo diferentes después de la aparición de estímulo durante la misma tarea fonológica con 100 ensayos divididos en cinco bloques iguales pruebas de cada ventana de tiempo diferente. Cuando se compara con la condición de línea de base (40/80 mseg), se observó un aumento significativo en las RT cuando TMS fue entregado 80/120, 120/160, y 160/200 mseg después de la aparición del estímulo. Estos resultados demostraron SMG fue engaged en el procesamiento fonológico entre 80 y 200 ms después de la aparición de estímulo, lo que indica tanto la participación temprana y sostenida en el procesamiento fonológico 44. Figura 1. Dos métodos comunes de marcado de los sitios potenciales de estimulación. (A) Un primer método implica la colocación de una rejilla de marcadores sobre un área motora de la mano y probar cada uno hasta TMS produce el efecto esperado. Este enfoque es común para la identificación de un motor de "punto caliente" – es decir, el lugar donde la estimulación produce la contracción del músculo más fuerte, más fiable (B) Un segundo método se aplica limitaciones anatómicas adicionales mediante la colocación de un conjunto de marcadores dentro de una bien definida. región del cerebro. En este ejemplo, la ubicación de los tres marcadores se limita a la región anterior de la SMG. El primero es localizard superior a la terminación de la rama ascendente posterior de la cisura de Silvio; la segunda es uno en el extremo ventral de la SMG anterior; y la tercera es de aproximadamente a medio camino entre las otras dos sitios. Marcadores de estimulación se muestran en un plano parasagital de una resonancia magnética individual mediante sistema de estereotaxia sin marco. La barra de escala negro en la esquina inferior izquierda indica una distancia de 1 cm. Figura 2. Los tiempos de reacción (RT) a partir de la aparición del estímulo. (A) noTMS (barras claras) y TMS (barras oscuras) Las condiciones en tres tareas diferentes idiomas. (B) Cinco de estimulación condiciones de tiempo en la tarea fonológica. En el ejemplo presentado aquí, pulsos dobles fueron entregados en cualquiera de 40/80 ms, 80/120 mseg, 120/160 mseg, 160/200 mseg, y 200/240 mseg inicio de post estímulo. The primera ventana de tiempo, 40/80 mseg, fue utilizado como una condición de control de línea de base porque la información visual no se espera que llegue a la SMG que rápidamente. Las barras de error representan el error estándar de la media ajustada para reflejar correctamente sujetos dentro de varianza 50. El primer experimento contiene datos de 12 participantes y el segundo de 32 participantes. * P <0,05.

Discussion

En este artículo se presenta un protocolo para la evaluación de la causalidad y la participación temporal de las regiones del cerebro en los procesos cognitivos utilizando TMS línea. Este debate pone de relieve primero de los pasos críticos para la creación de un protocolo de TMS éxito y luego las limitaciones que deben tenerse en cuenta al diseñar un experimento de TMS.

Debido a que los protocolos de TMS tienen un gran número de parámetros libres, garantizando los parámetros óptimos de estimulación es un paso crítico en la preparación de un experimento de TMS. Normalmente, esto se logra a través de extensas pruebas piloto con el fin de determinar la frecuencia de estimulación, duración, intensidad, intervalo entre ensayos, y la orientación de la bobina necesaria para producir efectos robustos. Para crear una "lesión virtual" efectiva la frecuencia debe inducir un efecto robusto que cubre una ventana de tiempo lo suficientemente grande como para abarcar el proceso cognitivo de interés. Como resultado, tanto la frecuencia y la duración varían entre los estudios. Del mismo modo, el & #8220; intensidad de estimulación derecho "es uno que asegura el campo magnético afecta el procesamiento neuronal en la región del cerebro de destino y aquí el factor principal es la distancia desde la bobina a la zona de estimulación 51. Muchos estudios identifican la intensidad de la estimulación necesaria para producir una respuesta del motor cuando la estimulación de la zona de la mano de la corteza motora primaria y usar esto para normalizar la intensidad a través de los participantes 52,53-55. Esta medida, sin embargo, no es un índice fiable de la intensidad óptima para las zonas no motores 42,51,56. Otra opción es utilizar la misma intensidad para todos los participantes. La intensidad elegido debe ser eficaz en todos los sujetos experimentales después de experimentar con un rango de intensidades de estimulación. Además, la orientación de la bobina es un parámetro importante que requiere la consideración. La orientación de la bobina específica afecta a la distribución del campo eléctrico inducido dentro de la población neuronal estimulada y por lo tanto puede influir en el comportavior. En general, los protocolos publicados pueden proporcionar un punto de partida que se modifica iterativamente durante la prueba piloto para satisfacer el experimento específico. A menudo, sin embargo, la información acerca de esta prueba piloto se omite del manuscrito final, que tiene el desafortunado efecto de ocultar algunos aspectos clave del proceso de diseño del protocolo.

La elección de un procedimiento de localización también es esencial para asegurar que la estimulación se administra al sitio óptimo. Aunque muchos estudios han localizado con éxito lugares de estimulación usando métodos basados ​​en la anatomía que se dirigen a una sola ubicación través de los participantes individuales 57,58, la personalización de la zona de estimulación para cada sujeto reduce de forma individual entre sujetos varianza en los resultados de comportamiento que producen un método más eficiente 31. Aquí presentamos un procedimiento de localización funcional basado en la EMT que ofrece ventajas con respecto a la localización basada en la resonancia magnética funcional. En concreto, se evita el problema de diferentes sesgos espaciales seaentre fMRI (es decir, venas de drenaje 59) y TMS (es decir, la orientación de los axones dentro del campo magnético de 6,60) que pueden dar lugar a la misma respuesta neural está localizada a diferentes lugares. Además, es bien sabido que la ubicación específica de la activación de "picos" en la fMRI puede variar considerablemente, lo que los sub-óptima como TMS dirige a 55,61. Aun así, una variedad de diferentes procedimientos de localización son demostrablemente efectivo, por lo que la elección específica es menos importante que asegurar que cualquier método que se utilice, proporciona efectos reproducibles.

Aunque los datos experimentales presentados aquí utilizan tiempos de reacción como la medida dependiente, hay muchas otras opciones disponibles. Por ejemplo, algunos estudios utilizan exactitud lugar 9,12,62. En estos casos, el rendimiento normal sin TMS ya está por debajo de los niveles de techo de modo que la perturbación inducida por la estimulación se refleja en las puntuaciones de precisión.Otros estudios han medido los efectos de la estimulación de los movimientos oculares 63,64. Experimentos de la neurociencia cognitiva más con TMS, sin embargo, utilizan los tiempos de reacción como medida dependiente 13,48,65,66. Típicamente, los efectos son del orden de decenas de milisegundos, o aproximadamente un cambio de 10% en los tiempos de reacción 67. Cualquiera que sea dependiente de medida se utiliza debe ser sólido y consistente para que los cambios relativamente pequeños se pueden observar fácilmente.

Como cualquier técnica experimental, TMS tiene limitaciones importantes que deben tenerse en cuenta al elegir esta metodología. Los más comunes son los siguientes: i) la resolución espacial de la EMT, ii) los efectos no específicos asociados con la estimulación, y iii) los aspectos de seguridad de la metodología. En primer lugar, TMS tiene una profundidad limitada de la estimulación debido a que el campo magnético reduce en intensidad cuanto más lejos es a partir de la bobina. En consecuencia, es más eficaz en la estimulación de las regiones del cerebro cerca del cuero cabelludo (~ 2 – 3 cm) 68,69 </sup> Y es ineficaz en la estimulación de las estructuras profundas del cerebro. Como resultado, las únicas regiones accesibles directamente a TMS se limitan a la capa cortical, aunque diferentes bobinas de forma se están desarrollando para llegar a las regiones más profundas tales como los ganglios basales 69. TMS también tiene una resolución espacial de aproximadamente 0,5 – 1 cm 47,70-72. Por lo tanto, el método no se puede utilizar para investigar las contribuciones funcionales de las estructuras espaciales de grano fino tales como columnas corticales.

Una segunda limitación de TMS es que la estimulación presenta efectos secundarios concurrentes sensoriales como resultado del campo magnético rápidamente cambiante. En particular, cada pulso magnético está acompañado por un clic auditivo y una sensación de roscado. Por lo tanto TMS puede ser inapropiado para ciertos experimentos auditivos o somatosensoriales donde estos efectos secundarios pueden interferir con el desempeño de tareas. Tenga en cuenta, sin embargo, que la EMT en línea ha sido utilizado con éxito en algunos experimentos auditivos 73,74 </shasta> y es por lo tanto posible en al menos algunas de las tareas. Otra consideración es que la intensidad de los efectos sensoriales difiere a través de posiciones de cabezal. Por ejemplo, la estimulación que se administra a un lugar cerca de la oreja sonará más fuerte que las localidades más alejadas. Del mismo modo más ubicaciones ventrales en la cabeza producen una mayor contracción del músculo que las áreas dorsales 75,76. Debido a estas diferencias de sitio pueden inducir confunde experimentales, es importante utilizar un sitio de control con efectos secundarios similares a los del sitio principal como homólogos contralaterales 77 o incluir condiciones de control / tareas que no aprovechar el proceso de interés 24,62 , 73,78,79.

Por último, consideraciones de seguridad siempre deben ser tenidas en cuenta en el diseño de experimentos TMS, ya que potencialmente puede inducir síncope y convulsiones 27. Para minimizar este riesgo, las directrices aceptadas internacionalmente para la intensidad de la estimulación, la frecuencia y duración exisTS, así como para el número total de impulsos y los intervalos entre ensayos 27,28. Protocolos que se quedan dentro de estas directrices se cree que son seguros para los participantes neurológicamente normales. Vale la pena señalar, sin embargo, que estos son aún incompletos y que los protocolos de TMS menudo novedosos que se introducen también demostrar a salvo. En general, la evidencia sugiere que, si se siguen las guías publicadas, TMS es un procedimiento seguro y sin efectos secundarios peligrosos. Una consecuencia de estos límites, sin embargo, es que los protocolos de comportamiento a menudo tendrá que ser ajustado antes de que puedan ser utilizados con TMS. Esto tiene implicaciones para varios aspectos del diseño, incluyendo la duración del experimento, el número de ensayos, número de condiciones y lugares de estimulación que se pueden probar. Algunas de estas limitaciones se pueden superar mediante la división del experimento en sesiones separadas, tales como pruebas de diferentes lugares de estimulación en diferentes días. En esos casos, es importante para asegurar que la localizacióny el ensayo de un sitio se realizan dentro de la misma sesión. Esto minimiza la varianza experimental mediante la maximización de la precisión de la focalización. Al decidir si se debe utilizar una o varias sesiones de pruebas, la limitación fundamental es la seguridad del participante – en concreto, la cantidad de estimulación que es seguro en una sola sesión. El total de la estimulación implica la familiarización, la práctica, la localización (si se utiliza TMS), y las pruebas, posiblemente a través de múltiples sitios, y depende fundamentalmente de la cantidad de ensayos por condición. Cuando esta cifra supera las directrices para una sola sesión, es necesario romper el experimento en varias sesiones, llevado a cabo un mínimo de 24 horas de diferencia. No existen reglas rígidas y rápidas sobre el número mínimo de ensayos necesarios para los experimentos del TMS, pero como cualquier experimento, estos pueden ser calculados usando los cálculos de potencia estándar basados ​​en el tamaño del efecto, la varianza, a nivel de α (típicamente 0,05) y desearon sensibilidad. A menudo, las estimaciones razonables deel tamaño del efecto y la varianza están disponibles como resultado de la extensa prueba piloto hecho para optimizar el protocolo experimental.

En resumen, la EMT se ha convertido en una herramienta importante con amplias aplicaciones en neurociencia cognitiva. En este artículo se proporciona un protocolo básico para la línea TMS junto con una tarea conductual para la investigación de las relaciones cerebro-conducta causales, tanto en el modo de "lesión virtual" y también una herramienta cronométrico para explorar la dinámica temporal de procesamiento regionalmente específica información neural.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Los autores no tienen reconocimientos.

Materials

1) Magstim Rapid2 stimulator (Magstim, Carmarthenshire, UK)
2) 70-mm diameter figure-of-eight coil
3) Brainsight frameless stereotaxy system (RogueResearch, Montreal, Canada)
4) Polaris Vicra infrared camera (Northern Digital, Waterloo, ON, Canada)
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pascual-Leone, A., Bartres-Faz, D., Keenan, J. P. Transcranial magnetic stimulation: studying the brain-behavior relationship by induction of ‘virtual lesions. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 354, 1229-1238 (1999).
  2. Walsh, V., Rushworth, M. A primer of magnetic stimulation as a tool for neuropsychology. Neuropsychologia. 37, 125-135 (1999).
  3. Paus, T. Inferring causality in brain images: a perturbation approach. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 360, 1109-1114 (2005).
  4. Sack, A. T. Transcranial magnetic stimulation, causal structure-function mapping and networks of functional relevance. Curr Opin Neurobiol. 16, 593-599 (2006).
  5. Walsh, V., Cowey, A. Magnetic stimulation studies of visual cognition. Trends Cogn Sci. 2, 103-110 (1998).
  6. Walsh, V., Pascual-Leone, A. . Transcranial Magnetic Stimulation. A Neurochronometrics of Mind. , (2003).
  7. Esser, S. K., Hill, S. L., Tononi, G. Modeling the effects of transcranial magnetic stimulation on cortical circuits. J Neurophysiol. 94, 622-639 (2005).
  8. Amassian, V. E., et al. Suppression of visual perception by magnetic coil stimulation of human occipital cortex. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 74, 458-462 (1989).
  9. Corthout, E., Uttl, B., Walsh, V., Hallett, M., Cowey, A. Timing of activity in early visual cortex as revealed by transcranial magnetic stimulation. Neuroreport. 10, 2631-2634 (1999).
  10. Ilmoniemi, R. J., et al. Neuronal responses to magnetic stimulation reveal cortical reactivity and connectivity. Neuroreport. 8, 3537-3540 (1997).
  11. Pitcher, D., Walsh, V., Yovel, G., Duchaine, B. TMS evidence for the involvement of the right occipital face area in early face processing. Curr Biol. 17, 1568-1573 (2007).
  12. Amassian, V. E., et al. Unmasking human visual perception with the magnetic coil and its relationship to hemispheric asymmetry. Brain Res. 605, 312-316 (1993).
  13. Duncan, K. J., Pattamadilok, C., Devlin, J. T. Investigating occipito-temporal contributions to reading with TMS. J Cogn Neurosci. 22, 739-750 (2010).
  14. Walsh, V., Cowey, A. Transcranial magnetic stimulation and cognitive neuroscience. Nat Rev Neurosci. 1, 73-79 (2000).
  15. Barker, A. T., Jalinous, R., Freeston, I. L. Non-invasive magnetic stimulation of human motor cortex. Lancet. 1, 1106-1107 (1985).
  16. Pascual-Leone, A., Gates, J. R., Dhuna, A. Induction of speech arrest and counting errors with rapid-rate transcranial magnetic stimulation. Neurology. 41, 697-702 (1991).
  17. Epstein, C. M., et al. Localization and characterization of speech arrest during transcranial magnetic stimulation. Clin Neurophysiol. 110, 1073-1079 (1999).
  18. Stewart, L., Walsh, V., Frith, U., Rothwell, J. C. TMS produces two dissociable types of speech disruption. Neuroimage. 13, 472-478 (2001).
  19. Picht, T., et al. A comparison of language mapping by preoperative navigated transcranial magnetic stimulation and direct cortical stimulation during awake surgery. Neurosurgery. 72, 808-819 (2013).
  20. Szczepanski, S. M., Kastner, S. Shifting attentional priorities: control of spatial attention through hemispheric competition. J Neurosci. 33, 5411-5421 (2013).
  21. Pobric, G., Jefferies, E., Lambon Ralph, M. A. Category-specific versus category-general semantic impairment induced by transcranial magnetic stimulation. Curr Biol. 20, 964-968 (2010).
  22. Pitcher, D., Goldhaber, T., Duchaine, B., Walsh, V., Kanwisher, N. Two critical and functionally distinct stages of face and body perception. J Neurosci. 32, 15877-15885 (2012).
  23. Neubert, F. X., Mars, R. B., Buch, E. R., Olivier, E., Rushworth, M. F. Cortical and subcortical interactions during action reprogramming and their related white matter pathways. Proc Natl Acad Sci U S A. 107, 13240-13245 (2010).
  24. Hartwigsen, G., et al. Phonological decisions require both the left and right supramarginal gyri. Proc Natl Acad Sci U S A. 107, 16494-16499 (2010).
  25. Sakai, K. L., Noguchi, Y., Takeuchi, T., Watanabe, E. Selective priming of syntactic processing by event-related transcranial magnetic stimulation of Broca’s area. Neuron. 35, 1177-1182 (2002).
  26. Huang, Y. Z., Edwards, M. J., Rounis, E., Bhatia, K. P., Rothwell, J. C. Theta burst stimulation of the human motor cortex. Neuron. 45, 201-206 (2005).
  27. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Safety Pascual-Leone, A. ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin Neurophysiol. 120, 2008-2039 (2009).
  28. Wassermann, E. M. Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation: report and suggested guidelines from the International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 108, 1-16 (1998).
  29. Carreiras, M., Pattamadilok, C., Meseguer, E., Barber, H., Devlin, J. T. Broca’s area plays a causal role in morphosyntactic processing. Neuropsychologia. 50, 816-820 (2012).
  30. Knecht, S., et al. Degree of language lateralization determines susceptibility to unilateral brain lesions. Nat Neurosci. 5, 695-699 (2002).
  31. Sack, A. T., et al. Optimizing functional accuracy of TMS in cognitive studies: a comparison of methods. J Cogn Neurosci. 21, 207-221 (2009).
  32. Camprodon, J. A., Zohary, E., Brodbeck, V., Pascual-Leone, A. Two phases of V1 activity for visual recognition of natural images. J Cogn Neurosci. 22, 1262-1269 (2010).
  33. Kanwisher, N., McDermott, J., Chun, M. M. The fusiform face area: a module in human extrastriate cortex specialized for face perception. J Neurosci. 17, 4302-4311 (1997).
  34. Taylor, P. C., Nobre, A. C., Rushworth, M. F. FEF TMS affects visual cortical activity. Cereb Cortex. 17, 391-399 (2007).
  35. Mottonen, R., Watkins, K. E. Motor representations of articulators contribute to categorical perception of speech sounds. J Neurosci. 29, 9819-9825 (2009).
  36. Levkovitz, Y., et al. A randomized controlled feasibility and safety study of deep transcranial magnetic stimulation. Clin Neurophysiol. 118, 2730-2744 (2007).
  37. Stewart, L., Battelli, L., Walsh, V., Cowey, A. Motion perception and perceptual learning studied by magnetic stimulation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol Suppl. 51, 334-350 (1999).
  38. Wig, G. S., Grafton, S. T., Demos, K. E., Kelley, W. M. Reductions in neural activity underlie behavioral components of repetition priming. Nat Neurosci. 8, 1228-1233 (2005).
  39. Bjoertomt, O., Cowey, A., Walsh, V. Spatial neglect in near and far space investigated by repetitive transcranial magnetic stimulation. Brain. 125, 2012-2022 (2002).
  40. Campana, G., Pavan, A., Casco, C. Priming of first- and second-order motion: Mechanisms and neural substrates. Neuropsychologia. 46, 393-398 (2008).
  41. Walsh, V., Ellison, A., Battelli, L., Cowey, A. Task-specific impairments and enhancements induced by magnetic stimulation of human visual area V5. Proc Biol Sci. 265, 537-543 (1998).
  42. Stewart, L. M., Walsh, V., Rothwell, J. C. Motor and phosphene thresholds: a transcranial magnetic stimulation correlation study. Neuropsychologia. 39, 415-419 (2001).
  43. Gough, P. M., Nobre, A. C., Devlin, J. T. Dissociating linguistic processes in the left inferior frontal cortex with transcranial magnetic stimulation. J Neurosci. 25, 8010-8016 (2005).
  44. Sliwinska, M. W., Khadilkar, M., Campbell-Ratcliffe, J., Quevenco, F., Devlin, J. T. Early and sustained supramarginal gyrus contributions to phonological processing. Front Psychol. 161, (2012).
  45. Chen, R., et al. Safety of different inter-train intervals for repetitive transcranial magnetic stimulation and recommendations for safe ranges of stimulation parameters. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 105, 415-421 (1997).
  46. Counter, S. A., Borg, E., Lofqvist, L. Acoustic trauma in extracranial magnetic brain stimulation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 78, 173-184 (1991).
  47. Brasil-Neto, J. P., et al. Optimal focal transcranial magnetic activation of the human motor cortex: effects of coil orientation, shape of the induced current pulse, and stimulus intensity. J Clin Neurophysiol. 9, 132-136 (1992).
  48. Schluter, N. D., Rushworth, M. F., Passingham, R. E., Mills, K. R. Temporary interference in human lateral premotor cortex suggests dominance for the selection of movements. A study using transcranial magnetic stimulation. Brain. 121 (5), 785-799 (1998).
  49. Juan, C. H., Walsh, V. Feedback to V1: a reverse hierarchy in vision. Exp Brain Res. 150, 259-263 (2003).
  50. Loftus, G. R., Masson, M. E. J. Using confidence-intervals in within-subject designs. Psychon Bull Rev. 1, 476-490 (1994).
  51. Stokes, M. G., et al. Biophysical determinants of transcranial magnetic stimulation: effects of excitability and depth of targeted area. J Neurophysiol. 109, 437-444 (2013).
  52. Gobel, S., Walsh, V., Rushworth, M. F. The mental number line and the human angular gyrus. Neuroimage. 14, 1278-1289 (2001).
  53. Watkins, K., Paus, T. Modulation of motor excitability during speech perception: the role of Broca’s area. J Cogn Neurosci. 16, 978-987 (2004).
  54. Meister, I. G., Wilson, S. M., Deblieck, C., Wu, A. D., Iacoboni, M. The essential role of premotor cortex in speech perception. Curr Biol. 17, 1692-1696 (2007).
  55. Kawabata Duncan, K. J., Devlin, J. T. Improving the reliability of functional localizers. Neuroimage. 57, 1022-1030 (2011).
  56. Deblieck, C., Thompson, B., Iacoboni, M., Wu, A. D. Correlation between motor and phosphene thresholds: a transcranial magnetic stimulation study. Hum Brain Mapp. 29, 662-670 (2008).
  57. Knecht, S., Sommer, J., Deppe, M., Steinstrater, O. Scalp position and efficacy of transcranial magnetic stimulation. Clin Neurophysiol. 116, 1988-1993 (2005).
  58. Carreiras, M., et al. An anatomical signature for literacy. Nature. 461, 983-986 (2009).
  59. Turner, R. How much cortex can a vein drain? Downstream dilution of activation-related cerebral blood oxygenation changes. Neuroimage. 16, 1062-1067 (2002).
  60. Amassian, V. E., Eberle, L., Maccabee, P. J., Cracco, R. Q. Modelling magnetic coil excitation of human cerebral cortex with a peripheral nerve immersed in a brain-shaped volume conductor: the significance of fiber bending in excitation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 85, 291-301 (1992).
  61. Kung, C. C., Peissig, J. J., Tarr, M. J. Is region-of-interest overlap comparison a reliable measure of category specificity. J Cogn Neurosci. 19, 2019-2034 (2007).
  62. Pitcher, D., Garrido, L., Walsh, V., Duchaine, B. C. Transcranial magnetic stimulation disrupts the perception and embodiment of facial expressions. J Neurosci. 28, 8929-8933 (2008).
  63. Leff, A. P., Scott, S. K., Rothwell, J. C., Wise, R. J. The planning and guiding of reading saccades: a repetitive transcranial magnetic stimulation study. Cereb Cortex. 11, 918-923 (2001).
  64. Acheson, D. J., Hagoort, P. Stimulating the brain’s language network: syntactic ambiguity resolution after TMS to the inferior frontal gyrus and middle temporal gyrus. J Cogn Neurosci. 25, 1664-1677 (1162).
  65. Stewart, L., Meyer, B., Frith, U., Rothwell, J. Left posterior BA37 is involved in object recognition: a TMS study. Neuropsychologia. 39, 1-6 (2001).
  66. Ashbridge, E., Walsh, V., Cowey, A. Temporal aspects of visual search studied by transcranial magnetic stimulation. Neuropsychologia. 35, 1121-1131 (1997).
  67. Devlin, J. T., Watkins, K. E. Stimulating language: insights from TMS. Brain. 130, 610-622 (2007).
  68. Roth, B. J., Saypol, J. M., Hallett, M., Cohen, L. G. A theoretical calculation of the electric field induced in the cortex during magnetic stimulation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. , 47-56 (1991).
  69. Zangen, A., Roth, Y., Voller, B., Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation of deep brain regions: evidence for efficacy of the H-coil. Clin Neurophysiol. 116, 775-779 (2005).
  70. Toschi, N., Welt, T., Guerrisi, M., Keck, M. E. A reconstruction of the conductive phenomena elicited by transcranial magnetic stimulation in heterogeneous brain tissue. Phys Med. 24, 80-86 (2008).
  71. Ravazzani, P., Ruohonen, J., Grandori, F., Tognola, G. Magnetic stimulation of the nervous system: induced electric field in unbounded, semi-infinite, spherical, and cylindrical media. Ann Biomed Eng. 24, 606-616 (1996).
  72. Thielscher, A., Kammer, T. Linking physics with physiology in TMS: a sphere field model to determine the cortical stimulation site in TMS. Neuroimage. 17, 1117-1130 (2002).
  73. Pattamadilok, C., Knierim, I. N., Kawabata Duncan, K. J., Devlin, J. T. How does learning to read affect speech perception. J Neurosci. 30, 8435-8444 (2010).
  74. Bestelmeyer, P. E., Belin, P., Grosbras, M. H. Right temporal TMS impairs voice detection. Curr Biol. 21, 838-839 (2011).
  75. Mennemeier, M., et al. Sham Transcranial Magnetic Stimulation Using Electrical Stimulation of the Scalp. Brain Stimul. 2, 168-173 (2009).
  76. Deng, Z. D., Peterchev, A. V. Transcranial magnetic stimulation coil with electronically switchable active and sham modes. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. , (2011).
  77. Gobell, S. M., Rushworth, M. F., Walsh, V. Inferior parietal rtms affects performance in an addition task. Cortex. 42, 774-781 (2006).
  78. Nixon, P., Lazarova, J., Hodinott-Hill, I., Gough, P., Passingham, R. The inferior frontal gyrus and phonological processing: an investigation using rTMS. J Cogn Neurosci. 16, 289-300 (2004).
  79. Mottonen, R., Watkins, K. E. Using TMS to study the role of the articulatory motor system in speech perception. Aphasiology. 26, 1103-1118 (2012).

Tags

Transcranial Magnetic StimulationTMSVirtual LesionCausal Brain-behavior RelationsTime CourseCognitive NeuroscienceFMRILesion-deficit StudiesSupramarginal GyrusReading

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Sliwinska, M. W., Vitello, S., Devlin, J. T. Transcranial Magnetic Stimulation for Investigating Causal Brain-behavioral Relationships and their Time Course. J. Vis. Exp. (89), e51735, doi:10.3791/51735 (2014).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image