Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Biology
Click here for the English version

Biology

Kartlegging av ettervirkninger av Theta Burst Stimulering på Human auditiv cortex med Funksjonell Imaging

Published: September 12, 2012 doi: 10.3791/3985
Automatic Translation
1, 1
1Montreal Neurological Institute and International laboratory for Brain, Music, and Sound (BRAMS), McGill University

Summary

Lytteprosessering er grunnlaget for tale og musikk-relatert behandling. Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) har vært brukt med hell for å studere kognitive, sensoriske og motoriske systemer, men har sjelden blitt brukt til audition. Her har vi undersøkt TMS kombinert med funksjonell Magnetic Resonance Imaging å forstå den funksjonelle organiseringen av auditiv cortex.

Abstract

Auditiv cortex gjelder for behandling av lyd, som er på grunnlag av tale eller musikk-relaterte behandling 1. Imidlertid, til tross for betydelig nyere fremskritt, funksjonelle egenskaper og lateralization av humant auditive cortex er langt fra å bli fullt ut forstått. Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) er en non-invasiv teknikk som kan forbigående eller skjenke modulere kortikale excitability via bruk av lokaliserte magnetfelt pulser, og representerer en unik metode for å utforske plastisitet og tilkoblingsmuligheter. Det har bare nylig begynt å bli brukt for å forstå auditiv kortikale funksjon 2.

En viktig sak i å bruke TMS er at de fysiologiske konsekvensene av stimulering er vanskelig å etablere. Selv om mange TMS studier gjør implisitt forutsetning at området målrettet av spolen er området påvirket, dette trenger ikke være tilfelle, særlig for kompliserte kognitive funksjoner WHIch avhengig interaksjoner på tvers av mange områder av hjernen 3. En løsning på dette problemet er å kombinere TMS med funksjonell Magnetic resonance imaging (fMRI). Ideen her er at fMRI vil gi en oversikt over endringer i hjernens aktivitet forbundet med TMS. Dermed vil fMRI gi en uavhengig måte å vurdere hvilke områder som er berørt av TMS og hvordan de er modulert 4. I tillegg tillater fMRI vurderingen av funksjonell tilkobling, som representerer et mål på den temporale kopling mellom fjerne regioner. Det kan dermed være nyttig ikke bare for å måle netto aktivitet modulasjon indusert av TMS i gitte steder, men også i hvilken grad nettverksegenskapene påvirkes av TMS, via eventuelle observerte endringer i funksjonell tilkobling.

Ulike tilnærminger eksisterer for å kombinere TMS og funksjonell avbildning temporalt rekkefølgen av metodene. Funksjonell MR kan påføres før, under, etter eller både før og etter TMS. Nylig, Sammenflettet noen studier TMS og fMRI for å gi elektronisk kartlegging av funksjonelle endringer indusert av TMS 5-7. Imidlertid har dette online kombinasjonen mange tekniske problemer, inkludert de statiske artefakter som følge av tilstedeværelsen av TMS spolen i skanneren rommet, eller effekten av TMS pulser på prosessen med MR bildedannelse. Men enda viktigere, høyt akustisk støy indusert av TMS (økt sammenlignet med standard bruk på grunn av resonans av skanneren boring) og den økte TMS spiral vibrasjoner (forårsaket av den sterke mekaniske kreftene på grunn av statisk magnetisk felt av MR skanner) utgjør en viktig problem når en skal studere auditiv prosessering.

Dette er en av grunnene fMRI ble gjennomført før og etter TMS i denne studien. Lignende tilnærminger har blitt brukt til å målrette motoren 8,9 cortex, premotor cortex 10, primær somatosensoriske cortex 11,12 og språk-relaterte områder 13, Men så langt ingen kombinert TMS-fMRI studie har undersøkt den auditive cortex. Formålet med denne artikkelen er å gi detaljer om protokollen og betraktninger nødvendig for å kunne kombinere disse to nevrovitenskapelig verktøy for å undersøke auditiv prosessering.

Tidligere har vi vist at gjentatte TMS (rTMS) ved høye og lave frekvenser (hhv. 10 Hz og 1 Hz) anvendt over auditive cortex modulert responstid (RT) i en melodi diskriminering oppgave 2. Vi viste også at RT modulering var korrelert med funksjonell tilkobling i den auditive nettverket vurderes ved hjelp av fMRI: jo høyere funksjonell tilkobling mellom venstre og høyre auditive cortices ved utføring av oppgaver, jo høyere facilitatory effekt (dvs. redusert RT) observert med rTMS. Men disse funnene var hovedsakelig Correlational, som fMRI ble utført før rTMS. Her ble fMRI utført før og umiddelbart etter TMS å gi direkte tiltakav den funksjonelle organiseringen av den auditive cortex, og mer spesifikt av plast omorganisering av det auditive nettverk oppstår etter den nevrale intervensjon levert av TMS.

Kombinert fMRI og TMS brukes over auditive cortex bør muliggjøre en bedre forståelse av hjernen mekanismer auditiv prosessering, som gir fysiologiske informasjon om funksjonelle effekter av TMS. Denne kunnskapen kan være nyttig for mange kognitive nevrovitenskap applikasjoner, så vel som for å optimalisere terapeutiske anvendelser av TMS, særlig i auditiv-relaterte lidelser.

Protocol

Protokollen er delt i en to-dagers sesjon (ikke nødvendigvis sammenhengende). Den første dagen består av en fMRI localizer komponert med en anatomisk og en funksjonell MR for å definere for hver deltaker områdene å være målrettet med TMS. Den andre dagen består i fMRI økter pre-og post-TMS hvor TMS er brukt inne i skanneren ved hjelp av en spesiell MR-kompatibel TMS coil (Magstim Ltd, Wales, Storbritannia) og en frameless stereotactic system (Brainsight). Den sistnevnte brukes til posisjon i sanntid den TMS spolen på kortikale områder i forhold til hver deltakers anatomiske og funksjonelle data.

1. Localizer Session

  • Start med å anskaffe en høy oppløsning anatomisk bilde av deltaker din.
  • Deretter erverve funksjonelle bilder ved hjelp av en gradient ekko EPI puls og en sparsom prøvetaking paradigme for å minimalisere eventuelle BOLD effekt eller auditiv maskering grunnet MR skanning støy 14,15. I vårt tilfelle er fMRI utført dutskillingsmodul en melodi oppgave der deltakerne må avgjøre om to påfølgende 5-note melodier er like eller forskjellige 2,16. En ikke-diskriminering lyttekontroll oppgave er også inkludert, i hvilke fag hører to like lengde mønstre av fem toner, alle på den samme banen av C5 og blir bedt om å klikke på venstre knapp etter den andre stimulans. Perioder med stillhet er også satt inn tilfeldig blant de oppgaven prøvelser i hvert løp. I alt er 72 studier presentert i en tilfeldig rekkefølge: 24 studier av melodi diskriminering, 24 lyttekontroll forsøk og 24 perioder med stillhet, for en samlet varighet på 12 min 16 sek.
  • Definer stimulering området ved hjelp av anatomiske og / eller funksjonelle landemerker. Man må være klar over at TMS er begrenset med hensyn til dybden av stimulering området på grunn av dempningen av den elektriske feltstyrke i dybden, og kan ikke forvente å nå områder dypere enn 3 cm 6,17. Et viktig skritt er å bruke lignende landemerker for hver delicipant, som kan være vanskelig på grunn av forskjeller i anatomi og funksjon mellom deltakerne. Her målrette vi Heschl er gyrus i hver deltaker, som ligger ved hjelp av både anatomiske og funksjonelle landemerker. Vi bruker masker av Heschl er gyrus levert av Harvard-Oxford strukturelle atlas ( http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html ) og TMS målet er definert individuelt av toppen av aktivering i Heschl er gyrus 2. I tillegg har vi også definere toppunktet posisjon, som vil bli brukt som en kontroll området for å kontrollere for ikke-spesifikke virkninger av TMS som akustiske og somatosensoriske artefakter. Toppunktet er definert anatomisk som et punkt midt mellom inion og neseryggen, og like langt fra høyre og venstre intertragal hakk. Rekkefølgen på stedet for stimulering (dvs. Heschl er gyrus eller toppunktet) oppveies overenkeltpersoner.

2. Pre-og Post-TMS fMRI Experiment

Pre-TMS fMRI sesjon

  • Forbered deltakeren å gå direkte i skanneren. Dette inkluderer fjerning av metall og fylling av TMS og MR screening form.
  • Start MR oppkjøpet med en anatomisk og en funksjonell skanner (identisk med en utført i retningsfyr sesjon, se kapittel 1).

Rammeløs stereotaxy og TMS i MR miljøet

Den rammeløse stereotaxy system består av et infrarødt kamera (Polaris Spectra), noe verktøy og sporer (Brainsight) benyttet til registrering og en datamaskin. Datamaskinen er plassert utenfor skanneren rommet, men plassert ved inngangen til skanneren rommet og skanneren døren holdes åpnet under TMS programmet. Verktøyene og sporer er MR-kompatibel, samt stativ (hjemme-laget) som støtter den infrarøde kamera og er therefore brukes inne i skanneren rommet. Den infrarøde kameraet er ikke MR-kompatible, og derfor er plassert inne i skanneren rommet, nær skanneren døren på omtrent to meter fra skanneren (se diskusjon for sikkerhetsprosedyre). Den TMS stimulator er plassert i et rom ved siden av MR skanner rommet. Vi benytter en MR kompatibel TMS spiral plassert inne i skanneren rommet og koblet til TMS-systemet via en 7-m kabel gjennom en RF filter tube.

  • Laste deltakerens anatomiske og funksjonelle bilder og stimulering mål i stereotactic programvarepakke (f.eks Brainsight). Her vil vi målrette den riktige Heschl er gyrus.
  • Etter pre-TMS fMRI anskaffelse, fjerne den øvre MR hodet spiral del av 32-kanals hode spiral (hvis bruk av Siemens 3T skanneren og 32-kanals hode spiral konfigurasjon).
  • Deretter skyver du ned deltakeren på skanneren.
  • Fest hodebånd og bane sett på participmaur hode.
  • Monter multi-leddet arm til skanneren og fikse MR kompatibel TMS spiral på armen.
  • Kontroller at alle sporer og spolen er i synsfeltet til kameraet. Her er kameraet litt flyttet til høyre side av deltakeren å aktivere en enklere sporing av spolen forskyvninger når du målretter den høyre hjernehalvdelen.
  • Kalibrere motivets hode med stereotaxy verktøy (dvs. pekeren verktøyet). Dette gjøres ved å coregistering flere landemerker på deltakerlisten hode (f.eks i vårt tilfelle spissen av nesen, den nasion og tragus av begge ørene) med de samme landemerker på de anatomiske data. I denne prosedyren, er to eksperimentatorer nødvendig, en nær til deltakeren hode å plassere markøren verktøyet på deltakeren hode, og den andre experimenter ved inngangen av skanneren plass til å utføre registreringen på datamaskinen.
  • Plasser MR kompatibel TMS spiral tangentiell til than hodebunnen, og spolen trackerne rettet mot det infrarøde kameraet. Spolen er orientert med spolen håndtaket peker bakover og parallelt med midtlinjen 2. Fest spolen posisjon ved hjelp av skruene på multi-leddet arm.
  • I rommet ved siden av MR skanner, slå på TMS-systemet og begynne stimulering. TMS brukes etter en mønstret protokoll, dvs. kontinuerlig theta burst stimulering (cTBS) består i tre pulser på 50Hz, gjentas med 5Hz for 40s. Vi bruker en fast stimulering intensitet (41%) er definert av stimulatoren utgang 18,19. Vi valgte denne protokollen som det har vist seg å modulere kortikal plastisitet for en varighet på opptil 30 minutter etter stimulering opphør i sunne populasjoner 20, (se diskusjon seksjon for sikkerhet prosedyre).

Post-TMS fMRI session

  • Når stimulering er komplett, er det viktig å få emnet tilbake i skanneren så snart som mulig. Ta av TMS coil fra skanneren rommet, og fjern multi-leddet arm. Skyv tilbake deltakerens hodet inn i MR hodet coil. Sikre at skanneren er forberedt og klar til å gå. Vårt råd er å holde kroppen plattformen hevet under hele TMS økten, og redusere antall og varighet av Localizer skanner til et minimum.
  • Fordi effektene av rTMS er forbigående, bør den endelige skanning økten begynne med den funksjonelle skanningen. Igjen har vi gjennomført fMRI løpet av en 12-minutters kjøring av melodien oppgaven.
  • Etter den endelige skanningen er fullført, avslutt med en anatomisk undersøkelse.

3. Representant Resultater

Analyser av fMRI data er gjennomført separat for både pre-og post-TMS fMRI økt. For hver fMRI økt (dvs. pre og post-TMS), viser kontrasten mellom melodiene og den auditive kontrollen oppgaven oppgave-relatert aktivitet i venstre og høyre Heschl er Gyri, overlegen temporal Gyri, dårligere frontal Gyri og precentral Gyri (figur 1 A, B). Å evaluere forskjeller mellom pre-og post-TMS fMRI økter, utfører vi en tilfeldig-effekt analyse ved hjelp av Student paret t-test. Betydning bestemmes ved hjelp av klynger identifisert av az> 2 terskel og en korrigert klynge terskelen p = 0,05. Figur 1 C representerer kontrast post-minus pre-cTBS for en enkelt deltaker. Dataene tyder på at cTBS rettet rett Heschl er gyrus (svart sirkel) induserer en økning i fMRI respons i kontralaterale (til venstre) auditiv cortex, inkludert venstre Heschl er gyrus. Endringer i fMRI respons er også funnet i den venstre postcentral gyrus, forlot insula og i lateral oksipital cortex bilateralt. Det er imidlertid ingen signifikant endring i fMRI respons sett under spolen. I tillegg er lignende kombinerte TMS-fMRI protokollen gjentatt å stimulere toppunktet (kontroll nettsted). Sammenligning av pre-og post-fMRI økter med cTBS brukt over toppunktet viste ingen significant effekt (data ikke vist).

Figur 1
Figur 1. Analyse av individuelle pre-TMS fMRI data (A), post-TMS fMRI data (B) og post-minus pre-TMS fMRI data (C). A. Resultater fra kontrasten melodi diskriminering minus lyttekontroll studier for en enkelt deltaker i pre-TMS fMRI session (A) og i post-TMS fMRI session (B). Fra venstre mot høyre: aksial, koronale og sagittal utsikt. I både (A) og (B), blir TMS spolen målretting rett Heschl største gyrus (sort sirkel) plassert ved x = 54, y = -13, z = 1 (MNI152 standardmellomrom). For både pre-og post-TMS fMRI økter, blir koordinatene vises ved x = -54, y = -13, z = 1 (MNI152 standard rom) for å vise endringer i venstre hemisfære på stedet av stimulering (dvs. rett Heschl er gyrus ). C. Resultater fra kontrasten post-minus pre-TMS fMRI økter med Student paret t-test.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Vi beskriver en protokoll som kombinerer offline TMS og fMRI til å undersøke den funksjonelle organiseringen av den auditive cortex. I de neste avsnittene vil vi diskutere de metodologiske faktorer å vurdere når gjennomføre en slik tilnærming.

Oppkjøp og timing for post-TMS fMRI session

Order of skanner erverv og avbalansering av pre-og post-TMS fMRI økter

Det er avgjørende å erverve en MR anatomisk scan før og etter TMS for å få et robust registrering mellom de to funksjonelle skanninger. Ellers kan funksjonelle forskjeller framkommet skyldes do feilregistrering problemer mellom de to funksjonelle skanninger fremfor å TMS-induserte endringer i fMRI signal. I tillegg, før noen fMRI-TMS økten (selv før fMRI localizer økt), er det avgjørende å vurdere stabiliteten og repeterbarhet for fMRI signal, for å tillate kvantitative sammenligninger av fMRIrespons magnitudes. Faktisk kan det være en god idé å kjøre noen pilotstudier, gjenta skanninger etter fjerning og gjeninnføre emnet (uten TMS) for å teste i hvilken grad man kan forvente forskjeller på grunn av denne faktoren alene. Den mellom-session sammenligning kunne bli påvirket av uspesifikke TMS faktorer som tilvenning til MR eksperimentet kontekst, herunder MR miljøet, samt oppgaven som skal utføres 21. For å overvinne dette problemet en kunne oppveie for pre-og post-TMS fMRI økter over deltakerne. For eksempel kan man begynne med TMS og deretter utføre en post-TMS fMRI sesjon, og deretter vente et par timer (eller dager), og utføre pre-TMS fMRI økt. Slike design avhenger forventet varighet på TMS effekter og praktiske hensyn som for eksempel tilgjengeligheten av faget og av MR skanner. En annen metode er å bruke falske eller placebo stimuleringer, men bruken er fortsatt debattert da de kan ikkegir samme akustiske og somatosensoriske fornemmelser (f.eks musklene rykninger) som en ekte stimulering og simulert TMS har vist seg å ha lignende effekter som en reell stimulering 22-24. En ytterligere tilnærming er å bruke TMS på flere områder og vurdere forskjellene på tvers av områder, denne sammenligningen forutsetter at uspesifikke effekter av TMS er likeverdige på tvers av nettsteder 24. For eksempel, kan toppunktet brukes til å styre for akustiske og somatosensoriske artefakter som følger TMS som vi har vist her.

Tidspunkt for skanning oppkjøpet

Fordi effektene av rTMS er forbigående, er det viktig å få emnet tilbake i skanneren snarest etter utløpet av TMS. Av denne grunn har vi brukt en MR-kompatible TMS spiral og anvendt TMS når deltakeren ble liggende på skanneren. Men hvis dette utstyret ikke er tilgjengelig, er det også mulig å anvende TMS utenfor av skanneren rommet 12.

Definisjon av TMS områder og dybde på stimulere til ioner

Kombinasjon av TMS og fMRI kan brukes til å målrette noen kortikale området i prefrontal, frontal, temporal eller parietal cortices. Den viktigste begrensningen er at målrettet området bør være tilgjengelig for TMS spiral når deltakeren blir liggende nede på skanneren, derfor bakre / occipital områder ikke kan være tilgjengelige. Deltakeren kan også sitte på skannerens sengen under TMS, men i dette tilfellet, er bruken av nevronavigasjon, spesielt infrarødt kamera vil begrense tilgangen til occipitale områder for TMS.

En annen begrensning å bruke TMS når deltakeren blir liggende nede på skanneren er mangelen på fleksibilitet av coil posisjoner og orienteringer. Av denne grunn, i vår studie ble TMS spolen posisjonert med spolen håndtaket peker bakover og parallelt med midtlinjen. I en tidligere studie viste vi ingen signifikant forskjell på spolen orientering når stimulere den auditive cortex 2.

ontent "> En annen generell begrensende faktor i TMS studier er dybden av de stimulerte områdene. Det har vist seg at TMS ikke kan nå områder dypere enn 3cm dybde 6,17. Derfor, i vår studie, er det usannsynlig at rTMS induserte endringer i den mediale del av HG, stedet for primære auditive cortex, omvendt, strekker HG helt til den laterale kant av den overlegne temporal gyrus, og dette område, som er antatt å spille en rolle i tonehøyde prosessering 25,26 var svært sannsynlig målrettet av TMS. Dette hensynet selvfølgelig gjelder for alle TMS studier. Men gitt usikkerheten om hvorvidt TMS effekten har nådd ønsket mål, kunne fMRI bidra til å avgjøre objektivt om det er tilfellet eller ikke.

Tekniske hensyn for cTBS protokollen i en MR miljø

Vi brukte en cTBS protokoll (50Hz), som har vært så langt alltid brukt utenfor en MR skanner rommet, derfor uten MR kompatibelt utstyr20,27-29. Dette er den første studien som gjaldt cTBS inne MR-miljø med MR kompatibel TMS utstyr. Å implementere en slik protokoll, er det viktig å være klar over at dette oppsettet effektivt reduserer TMS utgang intensiteter med ca 20% på grunn av den økte impedans av utvidede MR-kompatibel kabling kjører fra stimulatoren til spolen 30. I tillegg kan denne utgangen begrensning være mer viktig for enkelte land (f.eks 115V strømforsyning i Canada versus 230V strøm i Europa). Derfor, hvis du bruker Magstim utstyr, må du kanskje kjøpe en ekstra modul (Rapid-2 Plus One Module) for å øke kraften i systemet. En annen begrensning av kombinerte TMS og fMRI innebærer bruk av rammeløse stereotaxy inni MR rommet, som den infrarøde kameraet må plasseres på sikker avstand fra boringen i MR skanneren, og bør derfor være i stand til å gi stor måling volum (> to mtere). Dette er grunnen til at vi valgte Polaris spektra (NDI Polaris, http://www.ndigital.com/medical/polarisfamily.php ) gir et synsfelt opp til tre meter. Det er også MR-kompatible infrarøde kameraer som kan brukes (f.eks MRC Systems GmbH, Tyskland).

Det er viktig å merke seg at cTBS protokollen kan ikke brukes online under kontinuerlig fMRI oppkjøpet. Som vi testet tidligere 31 og også ved Bestmann m.fl.. 32, er en stille periode på 90 ms som kreves etter hver TMS puls å unngå gjenstander på MR-bilder på grunn av lekkasjestrømmer gjennom TMS-spole under lade perioden av stimulator. Kontinuerlig TBS består av tog i tre pulser levert på 50Hz (20 ms mellom pulser) adskilt med 200 ms, derfor neppe til å passe i en fMRI oppkjøp. I tillegg er cTBS vanligvis brukes bare i løpet av 40-årene (600 pulser), which tillater ikke mange repetisjoner av EPI-sekvenser. Kontinuerlig TBS-protokollen er også svært støyende som skal resultere i en sterk nevrale aktiviteten i auditive områder, og derfor kanskje ikke være egnet for å undersøke auditiv prosessering. Imidlertid kunne andre modaliteter av TBS, eksempel intermitterende eller mellomprodukt TBS påføres med en hensiktsmessig lang TR 20.

Sikkerhet for kombinert cTBS og fMRI

Sikkerhet for cTBS

Kontinuerlig TBS har det teoretiske potensialet for overdragelse en høyere risiko for anfall enn andre repeterende TMS protokoller fordi den leverer høyfrekvente bursts (50Hz) og bør derfor brukes med forsiktighet 33. En lege eller sykepleier som har erfaring med rTMS og er dyktig i forvaltningen av anfall bør være innen rekkevidde fra rTMS laboratoriet når en deltaker blir studert. Ett tilfelle av beslag ved hjelp cTBS har blitt rapportert i et sunt menneskemed ingen risikofaktorer for epilepsi 34 når de brukte en høyere intensitet (dvs. 100% hvile motor terskelen) enn i den opprinnelige protokollen 20 (dvs. 80% aktiv motor terskel). Prosedyren for å følge i tilfelle av et anfall er beskrevet i retningslinjene for sikkerhet 35,36.

MR-kompatible verktøy

Når TMS brukes inne i MR skanner rommet, er det avgjørende at alle de verktøyene som brukes inne i skanneren være MR-kompatible. Her var flere leddet arm (spesialbygd) for å montere TMS spolen MR-kompatibel (laget med Acetal og polykarbonat), og passer innenfor MR seng spesifikasjoner. Den multi-leddet arm er spesielt nyttig for lange perioder av stimulering og gir fleksibel plassering av spolen, og muliggjør rotasjon i flere retninger. Trackere (Brainsight) brukes til posisjonering og sporing er MR-kompatible. Den infrarøde kamera (Polaris) er inne i MR skanner rommet, menholdt på trygg avstand fra MR skanner (minst to meter fra skanneren). Her ingen skjerming av det infrarøde kameraet er nødvendig, som på denne avstand, er det magnetiske felt 0,3 mT (3 Gauss) (personlig kommunikasjon med ingeniør fra Siemens, 37,38), som er mindre enn et kjøleskap magnet (50 Gauss). Angående TMS stimulator systemet, brukte vi en bærbar enhet, som er satt opp i en observasjon suite naboen til skanneren.

Parametere av stimulering

Den første cTBS studien i mennesker var av Huang et al. 20 som anvendt bursts av 3 pulser på 50Hz, gjentas med 5Hz over det primære motor cortex, ved 80% aktivt motor terskel. Her, fordi vi brukte cTBS å målrette Heschl er gyrus, begrunnet vi at du bruker den aktive motor terskelen som referanse tiltaket ikke kan være en god indikator på excitability av dette hjernen. I tillegg brukte vi cTBS inne i MR miljøet, og dette oppsettet effectively reduserer produksjonen intensiteter med ca 20% (se tidligere avsnitt). Som en referanse, studiet av Bestmann et al. 39 med et lignende oppsett (dvs. Magstim system med en MR-kompatibel TMS coil) rapporterte en gjennomsnittlig intensitet av stimulering av 42% maksimal stimulator produksjonen i 12 deltakere tilsvarende 70% individuelle aktive motor terskel. Her har vi brukt 41% av stimulator utgang, som er derfor sammenlignbare med tidligere cTBS studier og passer i retningslinjene for sikkerhet for cTBS bruk, se Oberman et al. 40 for vurdering.

Det har også bemerkes at flere fysiske mekanismer for interaksjon mellom biologiske vev og statiske magnetiske felt kan teoretisk føre til endring av fysiologiske eller biokjemiske prosesser 37. Imidlertid har flere studier blitt publisert rapporterer at disse effektene er under terskelen av betydning 38,41,42. I tillegg, i vår studie TMS was utført off-line, da deltakeren ble liggende på skanneren og utenfor boringen i MR skanner. I dette tilfellet består den viktigste magnetiske miljøet av statisk magnetfelt B0 som avtar med avstanden fra magneten, ved deltakerens avstand, er styrken på det magnetiske felt rundt 3mT (= 3 gauss, eller omtrent ti ganger styrken av jordens magnetfelt) 37,43.

Konklusjon

Kombinerte rTMS og fMRI teknikker gir kvantitative metode for å bedømme TMS-induserte endringer i atferd og den underliggende hjernens aktivitet. TMS selv gjør det mulig å analysere atferd i tid, men det er økende erkjennelse i litteraturen at tolkningen av resultatene er ikke så enkelt som opprinnelig tenkt 4,44,45. Den viktigste grunnen er at TMS induserer endringer i nevrale aktiviteten i stimulert området, men også i fjerntliggende områder fra stimulert området, og en endring i atferd cannot gi informasjon om de underliggende endringer i funksjonell aktivitet og tilkoblingsmuligheter.

Derfor i vår studie, ble fMRI gjennomført før og etter TMS. Vi viste at kontinuerlig theta burst stimulering anvendt over høyre Heschl er gyrus forårsaket en økning i fMRI respons i de homologe områder i kontralaterale halvkule. Dette funnet er i tråd med tidligere studier på visuell eller språkbehandling viser en rolle homologe områder i kontralaterale halvkule etter TMS-indusert forstyrrelse 10,13,46,47. Om slike interhemispheric interaksjoner er kompenserende å bevare funksjonen, eller resultat fra kort sikt-plastisitet er ikke godt forstått og videre forskning er nødvendig for å forstå innholdet av slike mekanismer.

Kombinerte TMS og off-line fMRI åpne nye perspektiver for å undersøke funksjonelle aktivering mønstre og tilkoblingsmuligheter i auditiv nevrale nettverk og er også spesielt nyttig to vurdere mulige omorganisering eller kortikal plastisitet. I tillegg kan denne kombinasjonen også brukes til å evaluere og vurdere langsiktige kliniske oppfølging i audiologiske, nevrologiske eller psykiatriske lidelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklært.

Acknowledgments

CIBC fellesskap (JA) og NSERC stipend (RZ). Vi er takknemlige for Roch M. Comeau (Brainsight) for hans hjelp om infrarødt kamera, MR-kompatible trackere og annen maskinvare støtte. Vi er også takknemlige for Brian Hynes (Hybex Innovations Inc.) som tegnet multi-leddet arm for coil holder og levert noen av tallene som vises i videoen. Og en spesiell takk til alle MR teknikere og M. Ferreira fra McConnell Brain Imaging Centre i Montreal Neurological Institute som har hjulpet oss optimalisere utformingen av forsøket.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Transcranial magnetic stimulation Magstim super Rapid2 stimulator, Rapid-2 Plus One Module Magstim Ltd., Wales, UK
Coil for magnetic stimulation MRI-compatible 70 mm figure-of-eight-coil Magstim Ltd., Wales, UK
Magnetic resonance imaging 3-T Siemens Trio scanner, 32-channel Head Coil Siemens, Inc., Germany
Frameless Stereotaxy Brainsight Rogue Research Inc., Montreal, Canada
Optical measurement system Polaris Spectra Northern Digital Inc, Ontario, Canada
Multi-jointed arm for coil holder Standard Hybex Innovations Inc., Anjou, Canada
MRI-Compatible Insert Earphones Sensimetrics, Model S14 Sensimetrics Corporation, MA, USA

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Winer, J. A., Schreiner, C. E. The Auditory Cortex. , (2011).
  2. Andoh, J., Zatorre, R. J. Interhemispheric Connectivity Influences the Degree of Modulation of TMS-Induced Effects during Auditory Processing. Frontiers in psychology. 2, 161 (2011).
  3. Siebner, H. R., Hartwigsen, G., Kassuba, T., Rothwell, J. C. How does transcranial magnetic stimulation modify neuronal activity in the brain? Implications for studies of cognition. Cortex. 45, 1035-1042 (2009).
  4. Ruff, C. C., Driver, J., Bestmann, S. Combining TMS and fMRI: from 'virtual lesions' to functional-network accounts of cognition. Cortex; a journal devoted to the study of the nervous system and behavior. 45, 1043-1049 (2009).
  5. Bestmann, S. Mapping causal interregional influences with concurrent TMS-fMRI. Exp. Brain Res. 191, 383-402 (2008).
  6. Bohning, D. E. BOLD-fMRI response to single-pulse transcranial magnetic stimulation (TMS. Journal of magnetic resonance imaging : JMRI. 11, 569-574 (2000).
  7. de Vries, P. M. Changes in cerebral activations during movement execution and imagery after parietal cortex TMS interleaved with 3T MRI. Brain research. 1285, 58-68 (2009).
  8. Cardenas-Morales, L., Gron, G., Kammer, T. Exploring the after-effects of theta burst magnetic stimulation on the human motor cortex: a functional imaging study. Human brain mapping. 32, 1948-1960 (2011).
  9. Grefkes, C. Modulating cortical connectivity in stroke patients by rTMS assessed with fMRI and dynamic causal modeling. NeuroImage. 50, 233-242 (2010).
  10. O'shea, J., Johansen-Berg, H., Trief, D., Gobel, S., Rushworth, M. F. S. Functionally specific in human premotor reorganization cortex. Neuron. 54, 479-490 (2007).
  11. Pleger, B. Repetitive transcranial magnetic stimulation-induced changes in sensorimotor coupling parallel improvements of somatosensation in humans. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 26, 1945-1952 (2006).
  12. Tegenthoff, M. Improvement of tactile discrimination performance and enlargement of cortical somatosensory maps after 5 Hz rTMS. Plos Biology. 3, 2031-2040 (2005).
  13. Andoh, J., Paus, T. Combining functional neuroimaging with off-line brain stimulation: modulation of task-related activity in language areas. Journal of cognitive neuroscience. 23, 349-361 (2011).
  14. Belin, P., Zatorre, R. J., Hoge, R., Evans, A. C., Pike, B. Event-related fMRI of the auditory cortex. Neuroimage. 10, 417-429 (1999).
  15. Hall, D. A. "Sparse" temporal sampling in auditory fMRI. Human Brain Mapping. 7, 213-223 (1999).
  16. Foster, N. E., Zatorre, R. J. A role for the intraparietal sulcus in transforming musical pitch information. Cereb Cortex. 20, 1350-1359 (2010).
  17. Bohning, D. E. Mapping transcranial magnetic stimulation (TMS) fields in vivo with MRI. Neuroreport. 8, 2535-2538 (1997).
  18. 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).
  19. Lewald, J., Foltys, H., Topper, R. Role of the posterior parietal cortex in spatial hearing. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 22, RC207 (2002).
  20. 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).
  21. Loubinoux, I. Within-session and between-session reproducibility of cerebral sensorimotor activation: a test--retest effect evidenced with functional magnetic resonance imaging. Journal of cerebral blood flow and metabolism : official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 21, 592-607 (2001).
  22. Lisanby, S. H., Gutman, D., Luber, B., Schroeder, C., Sackeim, H. A. Sham TMS: intracerebral measurement of the induced electrical field and the induction of motor-evoked potentials. Biological psychiatry. 49, 460-463 (2001).
  23. Loo, C. K. Transcranial magnetic stimulation (TMS) in controlled treatment studies: are some "sham" forms active. Biological psychiatry. 47, 325-331 (2000).
  24. Robertson, E. M., Theoret, H., Pascual-Leone, A. Studies in cognition: the problems solved and created by transcranial magnetic stimulation. J. Cogn. Neurosci. 15, 948-960 (2003).
  25. Puschmann, S., Uppenkamp, S., Kollmeier, B., Thiel, C. M. Dichotic pitch activates pitch processing centre in Heschl's gyrus. NeuroImage. 49, 1641-1649 (2010).
  26. Johnsrude, I. S., Penhune, V. B., Zatorre, R. J. Functional specificity in the right human auditory cortex for perceiving pitch direction. Brain : a journal of neurology. 123, 155-163 (2000).
  27. Di Lazzaro, V. The physiological basis of the effects of intermittent theta burst stimulation of the human motor cortex. The Journal of physiology. 586, 3871-3879 (2008).
  28. Stagg, C. J. Neurochemical effects of theta burst stimulation as assessed by magnetic resonance spectroscopy. Journal of neurophysiology. 101, 2872-2877 (2009).
  29. Todd, G., Flavel, S. C., Ridding, M. C. Priming theta-burst repetitive transcranial magnetic stimulation with low- and high-frequency stimulation. Experimental brain research. Experimentelle Hirnforschung. Experimentation cerebrale. 195, 307-315 (2009).
  30. Bestmann, S., Baudewig, J., Siebner, H. R., Rothwell, J. C., Frahm, J. Subthreshold high-frequency TMS of human primary motor cortex modulates interconnected frontal motor areas as detected by interleaved fMRI-TMS. Neuroimage. 20, 1685-1696 (2003).
  31. Bungert, A. TMS combined with fMRI. , University of Nottingham. (2010).
  32. Bestmann, S., Baudewig, J., Frahm, J. On the synchronization of transcranial magnetic stimulation and functional echo-planar imaging. Journal of magnetic resonance imaging : JMRI. 17, 309-316 (2003).
  33. Wassermann, E. M. Use and safety of a new repetitive transcranial magnetic stimulator. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 101, 412-417 (1996).
  34. Oberman, L. M., Pascual-Leone, A. Report of seizure induced by continuous theta burst stimulation. Brain stimulation. 2, 246-247 (2009).
  35. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin. Neurophysiol. 120, 2008-2039 (2009).
  36. 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. Electroencephalography and clinical neurophysiology. , 1-16 (1998).
  37. Safety Guidelines for Magnetic Resonance Imaging Equipment in Clinical Use. , Available from: http://www.mhra.gov.uk/Publications/Safetyguidance/DeviceBulletins/CON2033018 (2007).
  38. Yamaguchi-Sekino, S., Sekino, M., Ueno, S. Biological effects of electromagnetic fields and recently updated safety guidelines for strong static magnetic fields. Magn. Reson. Med. Sci. 10, 1-10 (2011).
  39. Bestmann, S. Mapping causal interregional influences with concurrent TMS-fMRI. Experimental brain research. Experimentelle Hirnforschung. Experimentation cerebrale. 191, 383-402 (2008).
  40. Oberman, L., Edwards, D., Eldaief, M., Pascual-Leone, A. Safety of theta burst transcranial magnetic stimulation: a systematic review of the literature. Journal of clinical neurophysiology: official publication of the American Electroencephalographic Society. 28, 67-74 (2011).
  41. Kangarlu, A. Cognitive, cardiac, and physiological safety studies in ultra high field magnetic resonance imaging. Magn. Reson. Imaging. 17, 1407-1416 (1999).
  42. Schenck, J. F. Safety of strong, static magnetic fields. Journal of magnetic resonance imaging : JMRI. 12, 2-19 (2000).
  43. Lee, V. S. Cardiovascular MRI: physical principles to practical protocols. , Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia. 175 (2006).
  44. Paus, T. Transcranial magnetic stimulation during positron emission tomography: a new method for studying connectivity of the human cerebral cortex. The Journal of neuroscience: the official journal of the Society for Neuroscience. 17, 3178-3184 (1997).
  45. Sack, A. T., Linden, D. E. Combining transcranial magnetic stimulation and functional imaging in cognitive brain research: possibilities and limitations. Brain Res. Brain Res. Rev. 43, 41-56 (2003).
  46. Ilmoniemi, R. J. Neuronal responses to magnetic stimulation reveal cortical reactivity and connectivity. Neuroreport. 8, 3537-3540 (1997).
  47. Thiel, A. From the left to the right: How the brain compensates progressive loss of language function. Brain Lang. 98, 57-65 (2006).

Tags

Nevrovitenskap fysiologi fysikk Theta burst stimulering funksjonell magnetisk resonans imaging MRI auditiv cortex frameless stereotaxy lyd transkranial magnetisk stimulering
Kartlegging av ettervirkninger av Theta Burst Stimulering på Human auditiv cortex med Funksjonell Imaging
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Andoh, J., Zatorre, R. J. Mapping… More

Andoh, J., Zatorre, R. J. Mapping the After-effects of Theta Burst Stimulation on the Human Auditory Cortex with Functional Imaging. J. Vis. Exp. (67), e3985, doi:10.3791/3985 (2012).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter