تحفيز الدماغ المعتمد على الدولة الدماغ مع التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة في الوقت الحقيقي
أغسطس 20, 2019
تصف هذه الورقة التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة الذي يتم تشغيله في الوقت الحقيقي لدراسة شبكات الدماغ البشري وتعديلها.
الطريقة تجمع بين EEG و TMS لإثارة الدماغ في الوقت الحقيقي تعتمد على الدماغ. وهذا يتيح مزامنة طرود TMS مع مرحلة محددة من التذبذبات الداخلية المستمرة في الدماغ. تحفيز الدماغ هو تقنية لتعديل الدماغ من خلال مزامنة نبضات TMS الفردية مع حالة محددة من الدماغ EEG.
يمكن تحسين تأثير التحفيز. يستخدم نظام TMS القياسي بالفعل لعلاج الأمراض العصبية والنفسية مثل السكتة الدماغية والاكتئاب. TMS متزامنة EEG لديه القدرة على تحسين نتائج العلاج باستخدام بروتوكولات التحفيز الشخصية.
نحن أيضا استخدام TMS متزامنة EEG للتحقيق في الفيزيولوجيا العصبية الأساسية للتذبذبات الدماغ في الإنسان من خلال مقارنة الآثار التي يكون المحفزات التي هي متطابقة ولكن يتم تطبيقها خلال حالات الدماغ المختلفة. يمكن أن تكون الآثار خفية ويتم غسلها بسهولة من مصادر أخرى للتباين التجريبي. وجدنا أن انخفاض كثافة التحفيز يعمل بشكل أفضل لمراقبة تأثير إيقاع المحرك الحسي على استثارة العمود الفقري القشرية.
لإجراء حلقة مغلقة تجربة نشاط الدماغ يتم تسجيلها من خلال إمكانات EEG من سطح فروة الرأس التي يتم رقمنة بواسطة مكبر للصوت EEG. ثم تنتقل الإشارة إلى الوحدة الرئيسية لـ EEG ومن هناك إلى الجهاز الحقيقي الذي يتحكم في المحفز ، وبالتالي إغلاق حلقة الإشارة بين قياس نشاط الدماغ وتعديله. الجهاز في الوقت الحقيقي يحلل التذبذبات EEG ويرسل إشارة الزناد إلى محفز TMS عندما يتم استيفاء شرط الزناد المحدد سلفا لتمرير نبضة تيار وجيزة من خلال لفائف TMS التي يتم وضعها على الرأس.
خلال التجربة سيتم رصد موقف الملف على الرأس بجهاز ملاحة عصبي. قم بتوصيل الإخراج في الوقت الحقيقي لنظام EEG بمدخل الجهاز في الوقت الفعلي وتوصيل إخراج الجهاز في الوقت الفعلي بمدخلات الزناد الخاصة بمحفز TMS. تسجيل المشارك في الدراسة في النظام، والتأكد من أن البروتوكول يطابق تخطيط حد كهربية الدماغ وأن القنوات ذات الصلة يتم إرسالها إلى الإخراج في الوقت الحقيقي.
على الكمبيوتر التحكم في الجهاز في الوقت الحقيقي تحميل البرنامج للسيطرة على الجهاز في الوقت الحقيقي والتأكد من أن قنوات الإدخال في الوقت الحقيقي تطابق تكوين نظام EEG. ثم قم بتشغيل محفز TMS وقم بتعيين التكوين إلى تشغيل خارجي. لمراقبة الموقف لفائف وتحقيق دقة واتساق TMS استهداف داخل وعبر دورات تحميل البيانات التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلية الفردية في برنامج نظام الملاحة قبل بدء التجربة لكل مشارك.
ثم إرفاق تعقب لفائف إلى لفائف التحفيز ومعايرة لفائف. عندما يكون النظام جاهزًا، ضع غطاء EEG بالحجم المناسب على رأس مشارك الدراسة واستخدم شريط القياس لوضع الغطاء بشكل صحيح. دفع الشعر جانبا بحيث فروة الرأس مرئية وإعداد فروة الرأس مع تطبيق هلام جلخ.
بعد ذلك تطبيق هلام موصل على الأقطاب الكهربائية والتحقق من أن مقاومة الكهربائي EEG أقل من خمسة كيلو أوه. غطي غطاء EEG مع غلاف بلاستيكي وتناسب غطاء شبكي فوق الغطاء البلاستيكي للحفاظ على الكابلات في وضع ثابت لتقليل تباين القطع الأثرية في EEG. ثم تطبيق شريط لاصق لزيادة استقرار طبقات متعددة والشريط تعقب الرأس العاكسة إلى رأس الموضوع لضمان الاستقرار طوال التجربة.
قم بتوصيل أقطاب EMG السطحية بالعضلات المستهدفة النظيفة والمشطة وفحص إشارات EEG و EMG الجارية بشكل مرئي للأقطاب الكهربائية السيئة. الحفاظ على كابلات EMG ثنائي القطب قريبة من بعضها البعض وعلى مقربة من الجسم من المشارك في الدراسة للحد من خط التقاط الضوضاء. ثم استخدم أداة المؤشر للمشاركة في تسجيل نموذج الرأس مع المعالم التشريحية ذات الصلة وتحديد مواقع أجهزة الاستشعار EEG لتمكين التقدير اللاحق للمصادر الفردية لنشاط EEG.
لتنفيذ تجربة TMS متزامنة في الوقت الحقيقي EEG أولا تحديد الموقع الدقيق حيث TMS من القشرة الحركية يثير أقوى استجابة حركية من عضلات اليد. ثم وضع علامة على هذه النقطة الساخنة وموقف لفائف في برنامج الملاحة العصبية. إصلاح المقبل رئيس الموضوع مع وسادة فراغ وإصلاح الملف في موقع نقطة ساخنة مع ذراع ميكانيكية.
لتحديد شدة التحفيز العتبة ضبط تدريجيا كثافة التحفيز حتى 50٪ من نبضات TMS يؤدي إلى استجابة حركية. هنا تم تعيين كثافة إلى 110٪ من شدة عتبة. لتكوين نظام الوقت الحقيقي للجمع بين قنوات EEG متعددة لاستخراج تذبذب معين، استخدم مرشح تظليلي لمدة خمس قنوات تتمحور حول القطب C3 لاستخراج إيقاع المحرك الحسي.
لتشغيل TMS في ذروة إيجابية أو سلبية من هذا التذبذب تعيين المرحلة شرط الزناد للمرحلة صفر أو المرحلة pi عشوائياً لكل محاكمة قبل تسليح الجهاز في الوقت الحقيقي وتعيين تسلسل لتكرارها على حلقة كل ثانيتين. ثم تشغيل التجربة لمدة 10 دقائق للحصول على عدد كاف من التجارب للتمييز آثار التحفيز مرحلة محددة. وخلال التجربة، سيتم رصد موضع الملف على نظام الملاحة العصبية، وسيتم رصد إشارات EEG وEMG على نظام EEG.
كما يتم عرض البيانات الخام وكذلك قبل التحفيز EEG واستجابة العضلات بعد التحفيز لكل حالة على نظام EEG. سيقوم الجهاز في الوقت الحقيقي بالتصفية المكانية لاستهداف منطقة الدماغ ذات الاهتمام وتصفية تمريرة النطاق لعزل تذبذب الفائدة ، وتقدير السعة الفورية والطور باستخدام التنبؤ الأمامي التلقائي وتحويل هيلبرت. ثم تتم مقارنة هذه الإشارة بحالة المشغل.
إذا تم استيفاء عتبة الطاقة وشروط المرحلة يتم تشغيل محفز. باستخدام المتوسطات المعروضة على الانترنت تشغيل، يمكن تقدير دقة المرحلة المستهدفة وتأثير المرحلة على استجابة العضلات أثناء التجربة. في هذه الأرقام يتم عرض متوسط إشارة EEG قبل التحفيز في 400 مللي ثانية قبل نبض TMS لثلاثة ظروف محددة مسبقًا ومتوسط الإمكانات التي أثارتها الحركة الحركية المسجلة من عضلات اليد اليمنى.
معا هذه النتائج تثبت أن انحراف EEG السلبية من الإيقاع الجزئي يتوافق مع أعلى حالة استثارة القشرية مما يؤدي إلى أكبر السيارات أثار السعات المحتملة بالمقارنة مع انحراف EEG إيجابية مع انخفاض بين المحاكمة تقلب من آثار الإثارة كورتيكوسبينال لاحظت. نحتاج إشارة كهربية الدماغ مستقرة ونظيفة المفتاح هو مشارك في الدراسة جيد الإعداد الذي هو مريح ومريحة، وقادرة على الجلوس لا يزال.
هذا هو وسيلة سهلة الاستخدام التوصيل والتشغيل طريقة للتحقيق في ما إذا كانت حالات الاتصال القشرية واسعة النطاق لها آثار سببية في التجارب القائمة على الانزعاج. بالنظر إلى تذبذب واحد مترجم، هذه هي الخطوة الأولى فقط. لقد تمكنا من استخدام النتائج من هذه التقنية لإظهار أن TMS المتكررة لديها ذروة سلبية من نتائج التذبذبات الحركية الحسية الجارية وقوية طويلة الأجل مثل اللدونة.
TMS هو إجراء آمن وغير مؤلم. وهناك آثار جانبية نادرة جدا هو نوبة الصرع في الأشخاص المعرضين للخطر وأحيانا يمكن أن يحدث صداع مؤقت معتدل.
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة طريقة تجمع بين مخطط كهربية الدماغ (EEG) في الوقت الحقيقي مع التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) للتحقيق في شبكات الدماغ البشري وتعديلها. يسمح هذا النهج بمزامنة نبضات TMS مع مراحل معينة من تذبذبات الدماغ الجارية، مما قد يعزز نتائج العلاج لحالات عصبية ونفسية.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- علم الأعصاب
- الفيزيولوجيا الكهربائية
- تقنيات تحفيز الدماغ
الخلفية
- يستخدم TMS القياسي لعلاج اضطرابات عصبية ونفسية مختلفة.
- يوفر TMS المتزامن مع EEG بروتوكولات تحفيز مخصصة.
- يمكن أن تكشف التحقيق في تأثيرات المحفزات خلال حالات الدماغ المختلفة عن رؤى فيزيولوجية عصبية دقيقة.
- قد تكون شدة التحفيز المنخفضة مثالية لملاحظة استجابات دماغية معينة.
غرض الدراسة
- لاستكشاف تأثيرات التحفيز المتزامن مع TMS على تذبذبات الدماغ.
- لتحسين تقنيات تحفيز الدماغ للحصول على نتائج علاجية أفضل.
- لفهم الفيزيولوجيا العصبية لتذبذبات الدماغ من خلال التعديل في الوقت الحقيقي.
الطرق المستخدمة
- يتم تسجيل بيانات EEG وتحليلها في الوقت الحقيقي لتحريك TMS.
- يتم تحديد موقع ملف TMS باستخدام التنقل العصبي لتوجيه دقيق.
- يخضع المشاركون لسلسلة من التجارب لتقييم تأثيرات التحفيز الخاصة بالمرحلة.
- يتم مراقبة البيانات من EEG وEMG لتقييم استجابات العضلات.
النتائج الرئيسية
- يسمح تحليل EEG في الوقت الحقيقي بتوقيت دقيق لنبضات TMS.
- يمكن تمييز تأثيرات التحفيز الخاصة بالمرحلة خلال التجارب.
- يعزز التحفيز ذو الكثافة المنخفضة ملاحظة استجابات الدماغ.
- يحسن تحديد موقع الملف بدقة موثوقية نتائج التحفيز.
الاستنتاجات
- يعتبر TMS المتزامن مع EEG تقنية واعدة لدراسة شبكات الدماغ.
- قد تؤدي هذه الطريقة إلى استراتيجيات علاجية محسنة لاضطرابات الدماغ.
- تحتاج الأبحاث الإضافية لفهم كامل لآثار التحفيز المعتمدة على المرحلة.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Real-time EEG-triggered TMS enables precise modulation of cortical excitability by aligning stimulation with endogenous brain oscillations, offering a pathway to de-risk target validation in neuromodulation therapeutics. This approach supports mechanistic interrogation of brain state-dependent responses, improving predictive confidence in early-stage discovery of stimulation protocols for neurological indications. By isolating phase-specific effects, the method enhances translational continuity from basic neurophysiology to personalized therapeutic development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by testing how brain state influences cortical excitability and plasticity induction.
- Operational Value: Provides a controlled system to isolate the effect of stimulation timing on neurophysiological outcomes.
- Predictive Value: Supports target confidence by identifying optimal brain states for efficacious neuromodulation.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Delivers quantifiable, phase-dependent motor evoked potential readouts for standardized stimulation screening.
- Reproducibility: Uses real-time EEG triggering to minimize inter-trial variability in stimulation response measurements.
- Scalability: Supports repeated trials with consistent coil positioning via neuro-navigation for reliable data acquisition.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Bridges basic oscillation research to clinical protocol development by identifying brain states that enhance plasticity.
- Mechanistic De-risking: Clarifies how endogenous rhythms modulate stimulation effects, reducing ambiguity in dose-response relationships.
- Preclinical Alignment: Supports disease-relevant system validation through sensorimotor rhythm targeting in human motor cortex.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical optimization by enabling brain state-stratified evaluation of neuromodulation interventions.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing on how oscillatory phases gate cortical responsiveness to stimulation.
- Screening: Enables assay standardization through phase-locked stimulation and quantifiable EMG-based motor evoked potential measurements.
- Analytics: Provides phase-specific amplitude and latency readouts that allow comparison of stimulation conditions across brain states.
- Translational Research: Supports biomarker alignment by linking EEG phase patterns to plasticity-inducing stimulation windows.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for evaluating stimulation timing across targets, intensities, and oscillation bands.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target engagement by revealing state-dependent modulation of neural circuits.
- Operational Value: Enhances reproducibility through closed-loop EEG triggering and standardized coil targeting.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by identifying stimulation parameters most likely to induce plasticity.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of neuromodulation candidates based on brain state responsiveness.
Implementation Considerations
- Requires expertise in EEG signal processing, TMS safety protocols, and neuro-navigation for accurate targeting.
- Depends on real-time processing infrastructure capable of band-pass filtering, phase estimation, and trigger latency control.
- Necessitates cross-team standardization between electrophysiology, stimulation, and motor outcome measurement teams.
- Involves adaptation considerations when applying the method to different oscillation bands or cortical targets beyond sensorimotor rhythm.
- Relies on low-stimulus intensity paradigms to detect subtle state-dependent effects, as higher intensities may obscure phase-specific modulation.
