Kombine Transkraniyal Manyetik stimülasyon ve elektroansefalografi Dorsolateral Prefrontal korteksin
Summary
Burada sunulan intracortical uyarılabilirlik testi testi tekrarlayın tasarım paradigmaları kullanmak TMS-EEG çalışmaları için protokolüdür. Niyet Protokolü’nün nörofizyolojik majör depresyon gibi nöropsikiyatrik hastalıkların tedavisinde tedavi müdahaleler ilgili işleyişini değerlendirmek için güvenilir ve tekrarlanabilir kortikal uyarılabilirlik önlemler üretmektir.
Abstract
Transkraniyal Manyetik stimülasyon (TMS) korteks nöral uyarma aracılığıyla kısa, zaman değişen manyetik alan bakliyat üreten non-invaziv bir yöntemdir. Kortikal harekete geçirmek başlatılması veya onun modülasyon nöronların aktive kortikal bölgesinin, bobin, konumunu ve yönünü kafa ile ilgili özellikleri arka plan aktivasyonu bağlıdır. TMS eşzamanlı electrocephalography (EEG) ile kombine ve tekrarlanabilir bir şekilde kortiko-kortikal uyarılabilirlik ve bağlantı hemen hemen tüm kortikal alanlarda değerlendirilmesi için neuronavigation (nTMS-EEG) sağlar. Bu ilerleme nTMS-EEG doğru beyin dinamiği ve Nörofizyoloji klinik deneyler için gerekli olan test testi tekrarlayın paradigmalar değerlendirmek güçlü bir araç yapar. Sınırlamalar bu yöntemin ilk beyin reaktivite uyarılması için kapak yapılar içerir. Böylece, eserler kaldırma işlemi de değerli bilgi almak. Ayrıca, dorsolateral prefrontal (DLPFC) uyarılması için en uygun parametreler tam olarak bilinmemektedir ve varyasyonları motor korteks (M1) stimülasyon paradigmalar üzerinden geçerli iletişim kurallarını kullanır. Ancak, bu sorunlara yönelik olarak gelişen nTMS-EEG tasarımlar umuyoruz. Burada sunulan protokolü gibi tedavi tedavi dayanıklı psikiyatrik bozuklukları olan hastalarda uygulanan DLPFC stimülasyon nörofizyolojik işleyişini değerlendirmek için bazı standart uygulamaları tanıttı Transkraniyal doğru akım stimülasyon (tDCS), tekrarlayan Transkraniyal Manyetik stimülasyon (rTMS), manyetik nöbet terapi (MST) veya Elektrokonvulsif terapi (EKT).
Introduction
Transkraniyal Manyetik stimülasyon (TMS) kullanımı ile hızlı, zaman değişen manyetik alan bakliyat1kortikal nöronal aktivite non-invaziv değerlendirilmesi için sağlayan nörofizyolojik bir araçtır. Bu manyetik alan bakliyat membran depolarizasyon sonuçları bobin altında yüzeysel kortekste zayıf akıntı neden. Takip eden kortikal etkinleştirme veya modülasyon, bobin, açı ve kafatası2yönlendirmeye özellikleri doğrudan ilgilidir. Nabız dalga bobini taburcu ve nöronlar temel durumunu da sonuç kortikal harekete geçirmek3etkiler.
TMS davranış veya motor yanıt evoking tarafından veya görevle ilgili işlem kesintiye kortikal fonksiyonlarını değerlendirmesini sağlar. Kortiko-spinal süreçleri uyarılabilirlik ise electromyographic (EMG) yanıt-e doğru tek TMS bakliyat motor korteks elde edildi kayıt aracılığıyla değerlendirilebilir intracortical eksitatör (intracortical kolaylaştırma; ICF) ve inhibitör mekanizmaları (kısa ve uzun intracortical inhibisyon; SICI ve LICI) eşleştirilmiş-nabız TMS ile probed. Tekrarlanan TMS çeşitli bilişsel süreçler rahatsız edemez, ama öncelikle Nöropsikiyatrik bozukluklar çeşitli için bir tedavi aracı olarak kullanılır. Ayrıca, TMS eşzamanlı elektroansefalografi (TMS-EEG) ile birlikte kortiko-kortikal uyarılabilirlik ve bağlantı4değerlendirmek için kullanılabilir. Son olarak, TMS yönetim neuronavigation (nTMS) ile teslim edilirse, stimülasyon tam site kaydedilebilir bu yana hassas test-testi tekrarlayın paradigmalar için sağlayacaktır. Kortikal manto çoğunu hedef ve uyarılmış (ölçülebilir fiziksel veya davranışsal yanıt-e doğru üretmek değil bu alanlarda dahil olmak üzere) böylece korteks işlevsel olarak eşlenebilir.
Tek veya eşleştirilmiş darbe TMS uyarılmış EEG sinyal kortiko-kortikal bağlantı5 ve beyin geçerli durumunu değerlendirilmesi kolaylaştırabilir. TMS kaynaklı elektrik akımı sinapslarda etkinleştirebilirsiniz Aksiyon potansiyelleri içinde sonuçlanır. Postsinaptik akıntılarının dağıtım EEG6ile kaydedilebilir. EEG sinyal ölçmek ve sinaptik geçerli dağıtımları dipol7 veya en az-norm tahmini8, zaman çok kanallı EEG istihdam ve sorumluydu kafa iletkenlik yapısı ile modelleme yoluyla bulmak için kullanılabilir. Kombine TMS-EEG kortikal inhibitör işlemleri9, salınım10, kortiko-kortikal11 ve interhemisferik etkileşimleri12ve kortikal plastisite13çalışma için istihdam edilebilir. En önemlisi, TMS-EEG uyarılabilirlik değişiklikleri iyi test-testi tekrarlayın güvenilirlik14,15ile bilişsel veya motor görevi sırasında sonda. Önemlisi, TMS-EEG testi testi tekrarlayın tasarımlar16,17(rTMS veya farmakolojik etkileri) tedavi edici müdahalelere yanıt belirleyicileri olarak hizmet verebilir nörofizyolojik sinyalleri belirlemek potansiyeline sahiptir.
TMS için neuronavigation prensipleri çerçevesiz stereotaxy ilkelerine dayanır. Bir optik sistemleri kullanım (yolu ile başvuru izleme cihazı) baş ve TMS bobin için bağlı ışık yansıtan optik öğeleri ile iletişim kuran bir ışık yayan fotoğraf makinesi kullanan sistem18 izleme. Neuronavigation bobin yerelleştirme sayısallaştırma başvuru aracı veya kalem için 3-b MRG modeli yardımı ile sağlar. Neuronavigation kullanımı bobin yönlendirme, konumu ve hizalama konunun başına yakalanması yanı sıra EEG elektrot pozisyonları sayısallaştırma kolaylaştırır. Bu özellikler, dorsolateral prefrontal korteks içinde belirli bir konuma doğru uyarılması ve test testi tekrarlayın tasarım deneyleri için gereklidir.
TMS-EEG Protokolü testi testi tekrarlayın deneyinde, orada kullanmak için doğru hedefleme ve tutarlı güvenilir sinyalleri almak için kortikal bölgenin uyarılması olması gerekir. TMS-EEG kaydı farklı yapılara savunmasız olabilir. EEG elektrotlar indüklenen TMS objeyi sonra gecikme19,20 kurtarabilirsiniz amplifikatörler veya doymuş21olamaz amplifikatörler filtre uygulanabilir. Ancak, bobin ve göz hareketleri veya yanıp söner, kafatası kas harekete geçirmek içinde yakınlığı EEG elektrotlar, rasgele elektrot hareketi ve onların kutuplaşma tarafından oluşturulan yapı diğer türleri’ni tıklatın veya somatik duyu dikkate alınması gerekir. Elektrot impedances 5 kΩ, immobilizasyon bobin üzerinde elektrotlar ve bir köpük rulo ve titreşim (veya düşük frekans eserler22ortadan kaldırmak için bir pul) azaltmak için elektrotlar arasında aşağıda sağlar dikkatli konu hazırlık kulak tıkacı ve hatta işitsel maskeleme bu eserler23en aza indirmek için kullanılır. Burada sunulan Protokolü stimülasyon dorsolateral prefrontal (DLPFC) uygulandığında nörofizyolojik işleyişini değerlendirmek için standart bir işlem tanıtır. M19,15,16çalışmalarda doğrulandıktan ortak eşleştirilmiş-nabız paradigmalar üzerinde odaklanmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Özellikle neuronavigation kullanıldığında TMS-EEG çoğu kortikal alanlarda doğrudan ve noninvaziv uyarılması ve elde edilen nöronal aktivite ile çok iyi spatio-zamansal çözünürlük30, edinimi sağlar. Bu yöntembilimsel önceden TMS uyarılmış EEG sinyallerini elektrik sinir aktivitesinden kaynaklanan ve bu kortiko-kortikal uyarılabilirlik dizinidir dayalı gerçeğine şeydir. Bu TMS-EEG mevcut ve gelecekteki tedavi müdahaleler bir biyomarker kullanıldığı yerler nöropsikiy…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser kısmen NIMH R01 MH112815 tarafından finanse edildi. Bu eser de Temerty Aile Vakfı, Grant Aile Vakfı ve Campbell aile akıl sağlığı Araştırma Enstitüsü Merkezi tarafından bağımlılığı ve ruh sağlığı için desteklenmiştir.
Materials
| CED Micro1401-3 | Cambridge Electronic Design Limited | CED Micro1401-3 | Digital Data Recocrder |
| BISTIM'2 Package Option 1 | Magstim | 3234-00 | TMS paired pulse stimulator |
| Magstim 200'2 Unit (2 items) | Magstim | 3010-00 | TMS stimulators |
| UI controller | Magstim | 3020-00 | TMS controller |
| BISTIM'2 UI controller | Magstim | 3021-00 | TMS controller |
| BISTIM connecting module | Magstim | 3330-00 | TMS connecting module |
| D70 Alpha Coil – P/N 4150-00 (Alpha 70mm double coil) | Magstim | 4150-00 | TMS coil |
| Brainsight | Rogue-Resolutions | Brainsight 2 | Neuronavigator |
| Model 2024F | Intronix | 2024F | Electromyograph |
| Neuroscan SynAmps RT 64 channel System | Compumedics Neuroscan | 9032-0010-01 | Electroencephalograph |
| Quick-Cap electrode system 64 | Compumedics Neuroscan | 96050255 | EEG Cap |
References
- Barker, A. T., Jalinous, R., Freeston, I. L. Non-invasive magnetic stimulation of human motor cortex. Lancet. 1 (8437), 1106-1107 (1985).
- Ilmoniemi, R. J., Ruohonen, J., Karhu, J. Transcranial magnetic stimulation–a new tool for functional imaging of the brain. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 27 (3-5), 241-284 (1999).
- Matthews, P. B. The effect of firing on the excitability of a model motoneurone and its implications for cortical stimulation. The Journal of Physiology. 518, 867-882 (1999).
- Casali, A. G., Casarotto, S., Rosanova, M., Mariotti, M., Massimini, M. General indices to characterize the electrical response of the cerebral cortex to TMS. NeuroImage. 49 (2), 1459-1468 (2010).
- Massimini, M., Ferrarelli, F., Huber, R., Esser, S. K., Singh, H., Tononi, G. Breakdown of cortical effective connectivity during sleep. Science. 309 (5744), 2228-2232 (2005).
- Ilmoniemi, R. J., et al. Neuronal responses to magnetic stimulation reveal cortical reactivity and connectivity. Neuroreport. 8 (16), 3537-3540 (1997).
- Scherg, M., Ebersole, J. S. Models of brain sources. Brain Topography. 5 (4), 419-423 (1993).
- Hämäläinen, M. S., Ilmoniemi, R. J. Interpreting magnetic fields of the brain: minimum norm estimates. Medical & Biological Engineering & Computing. 32 (1), 35-42 (1994).
- Daskalakis, Z. J., Farzan, F., Barr, M. S., Maller, J. J., Chen, R., Fitzgerald, P. B. Long-interval cortical inhibition from the dorsolateral prefrontal cortex: a TMS-EEG study. Neuropsychopharmacology: Official Publication of the American College of Neuropsychopharmacology. 33 (12), 2860-2869 (2008).
- Rosanova, M., Casali, A., Bellina, V., Resta, F., Mariotti, M., Massimini, M. Natural frequencies of human corticothalamic circuits. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 29 (24), 7679-7685 (2009).
- Groppa, S., Muthuraman, M., Otto, B., Deuschl, G., Siebner, H. R., Raethjen, J. Subcortical substrates of TMS induced modulation of the cortico-cortical connectivity. Brain Stimulation. 6 (2), 138-146 (2013).
- Borich, M. R., Wheaton, L. A., Brodie, S. M., Lakhani, B., Boyd, L. A. Evaluating interhemispheric cortical responses to transcranial magnetic stimulation in chronic stroke: A TMS-EEG investigation. Neuroscience Letters. 618, 25-30 (2016).
- Chung, S. W., et al. Demonstration of short-term plasticity in the dorsolateral prefrontal cortex with theta burst stimulation: A TMS-EEG study. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 128 (7), 1117-1126 (2017).
- Lioumis, P., Kicić, D., Savolainen, P., Mäkelä, J. P., Kähkönen, S. Reproducibility of TMS-Evoked EEG responses. Human Brain Mapping. 30 (4), 1387-1396 (2009).
- Farzan, F., et al. Reliability of long-interval cortical inhibition in healthy human subjects: a TMS-EEG study. Journal of Neurophysiology. 104 (3), 1339-1346 (2010).
- Cash, R. F. H., et al. Characterization of Glutamatergic and GABAA-Mediated Neurotransmission in Motor and Dorsolateral Prefrontal Cortex Using Paired-Pulse TMS-EEG. Neuropsychopharmacology: Official Publication of the American College of Neuropsychopharmacology. 42 (2), 502-511 (2017).
- Premoli, I., et al. TMS-EEG signatures of GABAergic neurotransmission in the human cortex. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 34 (16), 5603-5612 (2014).
- Wiles, A. D., Thompson, D. G., Frantz, D. D. Accuracy assessment and interpretation for optical tracking systems. SPIE. 5367, 421-433 (2004).
- Iramina, K., Maeno, T., Nonaka, Y., Ueno, S. Measurement of evoked electroencephalography induced by transcranial magnetic stimulation. Journal of Applied Physics. 93 (10), 6718-6720 (2003).
- Virtanen, J., Ruohonen, J., Näätänen, R., Ilmoniemi, R. J. Instrumentation for the measurement of electric brain responses to transcranial magnetic stimulation. Medical & Biological Engineering & Computing. 37 (3), 322-326 (1999).
- Ives, J. R., Rotenberg, A., Poma, R., Thut, G., Pascual-Leone, A. Electroencephalographic recording during transcranial magnetic stimulation in humans and animals. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 117 (8), 1870-1875 (2006).
- Ruddy, K. L., Woolley, D. G., Mantini, D., Balsters, J. H., Enz, N., Wenderoth, N. Improving the quality of combined EEG-TMS neural recordings: Introducing the coil spacer. Journal of Neuroscience Methods. 294, 34-39 (2017).
- Massimini, M., et al. Cortical reactivity and effective connectivity during REM sleep in humans. Cognitive Neuroscience. 1 (3), 176-183 (2010).
- Yousry, T. A., et al. Localization of the motor hand area to a knob on the precentral gyrus. A new landmark. Brain: A Journal of Neurology. 120, 141-157 (1997).
- Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1107 (2015).
- Chen, R., et al. Intracortical inhibition and facilitation in different representations of the human motor cortex. Journal of Neurophysiology. 80 (6), 2870-2881 (1998).
- Saisane, L., et al. Short- and intermediate-interval cortical inhibition and facilitation assessed by navigated transcranial magnetic stimulation. Journal of Neuroscience Methods. 195 (2), 241-248 (2011).
- Ferreri, F., et al. Human brain connectivity during single and paired pulse transcranial magnetic stimulation. NeuroImage. 54 (1), 90-102 (2011).
- Premoli, I., et al. Characterization of GABAB-receptor mediated neurotransmission in the human cortex by paired-pulse TMS-EEG. NeuroImage. 103, 152-162 (2014).
- Rogasch, N. C., Fitzgerald, P. B. Assessing cortical network properties using TMS-EEG. Human Brain Mapping. 34 (7), 1652-1669 (2013).
- Ilmoniemi, R. J., Kicić, D. Methodology for combined TMS and EEG. Brain Topography. 22 (4), 233-248 (2010).
- Peterchev, A. V., D’Ostilio, K., Rothwell, J. C., Murphy, D. L. Controllable pulse parameter transcranial magnetic stimulator with enhanced circuit topology and pulse shaping. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056023 (2014).
- Fecchio, M., et al. The spectral features of EEG responses to transcranial magnetic stimulation of the primary motor cortex depend on the amplitude of the motor evoked potentials. PLOS ONE. 12 (9), 0184910 (2017).
- Saari, J., Kallioniemi, E., Tarvainen, M., Julkunen, P. Oscillatory TMS-EEG-Responses as a Measure of the Cortical Excitability Threshold. IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering: a publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 26 (2), 383-391 (2018).
- Fox, M. D., Liu, H., Pascual-Leone, A. Identification of reproducible individualized targets for treatment of depression with TMS based on intrinsic connectivity. NeuroImage. 66, 151-160 (2013).
- Casarotto, S., et al. Transcranial magnetic stimulation-evoked EEG/cortical potentials in physiological and pathological aging. Neuroreport. 22 (12), 592-597 (2011).
- Casarotto, S., et al. EEG responses to TMS are sensitive to changes in the perturbation parameters and repeatable over time. PloS One. 5 (4), 10281 (2010).
- Wu, W., et al. ARTIST: A fully automated artifact rejection algorithm for single-pulse TMS-EEG data. Human Brain Mapping. , (2018).
- Mutanen, T. P., Metsomaa, J., Liljander, S., Ilmoniemi, R. J. Automatic and robust noise suppression in EEG and MEG: The SOUND algorithm. NeuroImage. 166, 135-151 (2018).
- Ilmoniemi, R. J., et al. Dealing with artifacts in TMS-evoked EEG. Conference proceedings: …Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Annual Conference. 2015, 230-233 (2015).
- Rogasch, N. C., et al. Removing artefacts from TMS-EEG recordings using independent component analysis: importance for assessing prefrontal and motor cortex network properties. NeuroImage. 101, 425-439 (2014).
- Mutanen, T. P., Kukkonen, M., Nieminen, J. O., Stenroos, M., Sarvas, J., Ilmoniemi, R. J. Recovering TMS-evoked EEG responses masked by muscle artifacts. NeuroImage. 139, 157-166 (2016).
- Farzan, F., Vernet, M., Shafi, M. M. D., Rotenberg, A., Daskalakis, Z. J., Pascual-Leone, A. Characterizing and Modulating Brain Circuitry through Transcranial Magnetic Stimulation Combined with Electroencephalography. Frontiers in Neural Circuits. 10, 73 (2016).
- Casula, E. P., Pellicciari, M. C., Picazio, S., Caltagirone, C., Koch, G. Spike-timing-dependent plasticity in the human dorso-lateral prefrontal cortex. NeuroImage. 143, 204-213 (2016).
- Noda, Y., et al. Characterization of the influence of age on GABAA and glutamatergic mediated functions in the dorsolateral prefrontal cortex using paired-pulse TMS-EEG. Aging. 9 (2), 556-572 (2017).
- Fitzgerald, P. B., Maller, J. J., Hoy, K., Farzan, F., Daskalakis, Z. J. GABA and cortical inhibition in motor and non-motor regions using combined TMS-EEG: a time analysis. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 120 (9), 1706-1710 (2009).
