Neuroimaging-Guided TMS&#8211;EEG for Real-Time Cortical Network Mapping

Elena Ukharova; Sabin Sathyan; Ida Gran&#246;; Isabella O&#39;Meeghan; Oskari Ahola; Noora Kainulainen; Joonas Laurinoja; Paula Partanen; Dogu Baran Aydogan; Risto J. Ilmoniemi; Timo Roine; Pantelis Lioumis

doi:10.3791/67339

TMS-EEG الموجه بالتصوير العصبي لرسم خرائط الشبكة القشرية في الوقت الفعلي

JoVE Journal
Neuroscience

This content is Free Access.

JoVE Journal Neuroscience

Neuroimaging-Guided TMS–EEG for Real-Time Cortical Network Mapping

TMS-EEG الموجه بالتصوير العصبي لرسم خرائط الشبكة القشرية في الوقت الفعلي

Full Text

0 Views

09:55 min

June 13, 2025

DOI: 10.3791/67339-v

Elena Ukharova¹, Sabin Sathyan¹, Ida Granö¹, Isabella O'Meeghan¹, Oskari Ahola^1,2,3, Noora Kainulainen¹, Joonas Laurinoja^1,4, Paula Partanen^5,6, Dogu Baran Aydogan^1,4, Risto J. Ilmoniemi¹, Timo Roine¹, Pantelis Lioumis^1,7,8

¹Department of Neuroscience and Biomedical Engineering,Aalto University School of Science, ²Hertie-Insitute for Clinical Brain Research,University of Tübingen, ³Department of Neurology and Stroke,University of Tübingen, ⁴A.I. Virtanen Institute for Molecular Sciences,University of Eastern Finland, ⁵Division of Psychology, VISE, Faculty of Education and Psychology,University of Oulu, ⁶Neuroscience Center, Helsinki Institute of Life Science,University of Helsinki, ⁷BioMag Laboratory, HUS Medical Imaging Center, Aalto University,University of Helsinki and Helsinki University Hospital, ⁸Cognitive Brain Research Unit, Department of Psychology and Logopedics, Faculty of Medicine,University of Helsinki

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

Overview

This study presents a novel protocol for personalized transcranial magnetic stimulation (TMS) integrated with electroencephalography (EEG) mapping of cortical networks. The approach utilizes multiple magnetic resonance imaging (MRI) data modalities to inform the TMS application, aiming to enhance precision in targeting cortical regions.

Key Study Components

Area of Science

Neuroscience
Electrophysiology
Neuroimaging

Background

Transcranial magnetic stimulation is a non-invasive method for modulating brain activity.
Electroencephalography allows for real-time monitoring of neuronal activity.
Multiple MRI modalities provide comprehensive anatomical and functional insights.
Personalization of TMS may lead to more effective interventions in various neurological conditions.

Purpose of Study

To develop a protocol that combines TMS and EEG for individualized targeting of cortical networks.
To enhance the understanding of brain connectivity and network dynamics.
To improve clinical outcomes in TMS applications through personalized approaches.

Methods Used

The study utilized TMS combined with EEG for real-time cortical mapping.
Magnetic resonance imaging data provided the anatomical and functional basis for TMS targeting.
Personalization of protocols was based on individual MRI data.
Critical steps included calibrating TMS settings according to EEG responses.
Additional methodological details focused on integrating multimodal imaging techniques.

Main Results

The protocol demonstrated improved targeting of cortical areas compared to non-personalized methods.
EEG responses indicated enhanced understanding of short-term plasticity within targeted networks.
Personalized TMS protocols led to predictable and replicable neuronal responses.
Results suggest significant implications for the treatment of neurological disorders.

Conclusions

This study establishes an effective framework for personalized TMS interventions.
The integration of MRI with TMS and EEG provides a novel way to explore neuronal networks.
These insights may facilitate advancements in therapeutic strategies for cognitive and mood disorders.

Frequently Asked Questions

What are the advantages of using TMS combined with EEG?

This combination allows for real-time monitoring of brain responses to stimulation, enhancing the precision of targeting and understanding of neuronal dynamics.

How is the biological model implemented in this study?

The study focuses on cortical networks, utilizing TMS to investigate their behavior as informed by EEG and MRI data, providing insights into brain connectivity.

What types of data or outcomes are obtained from this protocol?

The protocol yields data on neuronal excitability, cortical mapping, and real-time EEG responses, which are critical for understanding brain function.

How can this method be applied in clinical settings?

This personalized TMS approach can be utilized in treating various neurological and psychiatric conditions, potentially improving therapeutic outcomes.

Are there any limitations to this approach?

While promising, the complexity of integrating multiple imaging modalities may present challenges, including the need for specialized training and equipment.

What future research directions does this study suggest?

Future research may focus on expanding TMS applications to other neurological conditions and refining protocols based on individual brain network characteristics.

What insights does the study provide regarding brain plasticity?

The findings highlight how targeted TMS can induce evident short-term plasticity changes, underscoring the dynamic nature of cortical networks.

بروتوكول جديد للتحفيز المغناطيسي الشخصي عبر الجمجمة بالاشتراك مع تخطيط تخطيط كهربية الدماغ (TMS-EEG) للشبكات القشرية ، مستنير بطرق بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي المتعدد (MRI).

نحن نعمل على تطوير بروتوكولات التعديل العصبي الشخصية بالكامل القابلة للتكرار ، ودمج التشكل القشري ، والاتصال الهيكلي والوظيفي ، بالإضافة إلى الفيزيولوجيا العصبية لتعزيز خصوصية TMSEG لاكتشاف المؤشرات الحيوية السريرية.

يتيح بروتوكولنا الوصول الموثوق به إلى TMS المبكر الذي يستحضر الإمكانات التي تعكس التفاعل القشري الفوري للمنطقة المستهدفة. عادة ما يتم حجب هذه الإشارات بواسطة القطع الأثرية وجودة البيانات الرديئة في الأساليب غير الشخصية.

نحن نهدف إلى أتمتة رسم الخرائط القشرية باستخدام خوارزميات الوقت الفعلي و TMS متعدد المواقع والروبوتات. والهدف هو تعزيز الدقة في أبحاث التعديل العصبي وتحسين الفعالية في التطبيقات السريرية.

[[المدرب] للبدء ، قم بوضع الهدف على كرسي قريب بما يكفي لتوصيل كابلات الغطاء بنظام تخطيط كهربية الدماغ. قم بقياس محيط رأس الأشخاص لتحديد غطاء تخطيط كهربية الدماغ المطابق. ضعي الغطاء بدءا من الجبهة مع إبقاء الشعر تحت الغطاء. قم بقياس المسافة من النازع إلى الركبة ومن اليسار إلى اليمين. ثم اضبط موضع الغطاء للتأكد من أن تشيكوسلوفاكيا متمركزة في منتصف الطريق بين هذه المعالم التشريحية. باستخدام مناديل الكحول والشريط الكاشطة ، قم بتنظيف جلد العظم الخشن والوجني المقابل لجانب التحفيز لتحسين الموصلية. ضع القطب الأرضي على العظم الوجني والقطب المرجعي على الخشاء باستخدام غسالات القطب الحلقي. ضع معجونا كاشطا على مواقع القطب الأرضي وافرك الجلد برفق بإبرة حادة. ثم املأ كل قطب كهربائي بهلام موصل. تأكد من وضع شقوق الأذن بشكل صحيح للوصول إلى الأذن أثناء الملاحة العصبية ووضع سماعة الأذن. الآن ، قم بتثبيت الغطاء في مكانه باستخدام مثبتات الخطاف والحلقة أسفل الذقن. لتحضير أقطاب الغطاء ، ضع جل كاشطة واستخدم إبرة حادة لتنظيف الشعر من تحت كل قطب كهربائي حتى يصبح الجلد مرئيا. املأ القطب الكهربائي بهلام موصل أثناء الضغط عليه برفق لضمان تطبيق الجل الكافي ولكن غير الزائد. إذا كانت المعاوقة عالية بعد التحضير الأولي ، فاستخدم إبرة غير حادة أو قطعة قطن لفرك الجلد داخل القطب مرة أخرى مع تجنب إزاحة الشعر. ثم أعد ملء القطب الكهربائي بهلام موصل وتحقق من تكرار مستويات المعاوقة حتى تقل جميعها عن خمسة كيلوغرامات أوم. نظف كل موقع قطب كهربائي بمناديل كحولية. خدش الجلد برفق بشريط كاشط وامسحه مرة أخرى بالكحول قبل تركه يجف. ضع القطب النشط على بطن العضلات. عادة ما يكون الخاطف الأيمن بوليسيس بريفيس أو أول عظمي ظهري. ضع القطب المرجعي فوق وتر العضلات والقطب الأرضي على ظهر اليد. لإعداد الملاحة العصبية ، ضع الهدف بشكل مريح على الكرسي ، مما يضمن استرخاء الرقبة واليدين والساقين. الآن ، قم بتأمين جهاز تعقب الرأس وتأكد من ثباته أثناء التحفيز. حدد النقاط الأساسية، بما في ذلك النقاط النفية ونقاط ما قبل الأذن في التصوير بالرنين المغناطيسي للموضوع. وباستخدام قلم رقمي ، ضع علامة على النقاط الأساسية المقابلة على رأس الشخص لعرض الأذن ومعالم الناسيون. رقمنة النقاط الإضافية عبر سطح الجمجمة لتقليل أخطاء التسجيل. قم بإعداد إخفاء الضوضاء باستخدام مسار صوتي حلقي للضوضاء البيضاء الممزوج بنقرات الملف المسجلة من الملف المحدد المستخدم. تأكد من أن الموضوع يضع أطراف الأذن لسماعات الرأس المخفية للضوضاء بشكل صحيح في قنوات الأذن. ثم ضع الملف حوالي خمسة سنتيمترات فوق رأس الموضوع. قم بتوصيل نبضات عالية الكثافة مع فاصل زمني متقلب ، وقم بزيادة حجم الكمبيوتر تدريجيا بنسبة 1 إلى 2٪ حتى يشير الهدف إلى أنه لم يعد يسمع النقرة. قم بتوصيل 20 إلى 30 نبضة أثناء مراقبة التصور المحتمل المستحث عبر الجمجمة في الوقت الفعلي. إذا لوحظ إمكانات سمعية مستحثة ، فقم بزيادة حجم ضوضاء الإخفاء بزيادات قدرها 2٪ حتى يختفي المكون. لتحديد عتبة الراحة, توجيه الموضوع للحفاظ على عضلاتهم مسترخية مع راحة اليد لأعلى. ضع ملف التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة فوق مقبض المحرك مع وجود المجال الكهربائي عموديا على التلم. ابدأ بحوالي 30٪ من الحد الأقصى لإخراج المحفز وقم بزيادة الشدة حتى يظهر تنشيط العضلات الموضعية. اضبط موقع الملف واتجاهه حتى يتم ملاحظة استجابة خاصة بالخاطف pollicis brevis. باستخدام الموقع المحفوظ ، قم بتطبيق خوارزميات آلية في النظام لتحديد عتبة محرك الراحة لرسم الخرائط القشرية ، تراكب القسائم التشريحية وخرائط الاتصال الوظيفية من التصوير بالرنين المغناطيسي في برنامج الملاحة العصبية. حدد هدفين إلى ثلاثة أهداف تحفيز على الأقل بناء على الاتصال الهيكلي والوظيفي الواعد. ابدأ التحفيز عند 100 إلى 110٪ من عتبة محرك الراحة مع تنشيط إخفاء الضوضاء. متوسط 20 نبضة لكل مجموعة ومراقبة الإمكانات المستحثة عبر الجمجمة الناتجة. اضبط الشدة بزيادات قصوى قدرها 2٪ في إخراج المحفز حتى يتجاوز سعة الاستجابة المبكرة ستة ميكروفولت. راقب إشارة القطع الأثرية للاضمحلال التي يمكن التعرف عليها من خلال طبيعتها الأسية بالإضافة إلى القطع الأثرية للعضلات ثنائية القطب. إذا استمرت القطع الأثرية العضلية لمدة تزيد عن 15 مللي ثانية ، فحاول تدوير الملف لتقليلها. استمر حتى يتم الحصول على مكون مبكر نظيف أعلى من ستة ميكروفولت. إذا لم يؤد دوران الملف إلى تحسين جودة الإشارة ، فحاول تغيير موقع التحفيز بضعة ملليمترات وكرر عملية تعيين الاستجابات القشرية عبر المنطقة القشرية. إذا استمرت القطع الأثرية ، فتابع التحقيق في الهدف القشري التالي المحدد مسبقا. عندما يتم تحسين هدف التحفيز والمعلمات ، قم بقياس مقاومة القطب قبل بدء تسجيل بيانات TMSCEG. إذا تجاوزت المعاوقة خمسة كيلوغرامات أوم ، أضف هلام موصل لتقليلها. إذا كان لا يزال مرتفعا جدا ، كرر التحضير وأضف المزيد من الجل فقط إذا لزم الأمر. أظهر موقع التحفيز الأولي المختار من مجموعة FMRI ارتباطا مضادا بالقشرة الحزامية الأمامية تحت الجينية وتصوير المسالك مما يشير بشكل أساسي إلى الروابط المتقاطعة والمماثلة للقطب الأمامي المقابل. لوحظت استجابة محتملة تشبه TEP في أقطاب F3 و F1 و FC3. يظهر القطب الكهربائي AF3 قطعة أثرية رنين كبيرة السعة بينما يتأثر F5 بقطعة أثرية عضلية صغيرة يمكن التعرف عليها من خلال التردد العالي وذروة السعة العالية بعد نبضة TMS مباشرة. أكدت المعالجة المسبقة أن استجابة F3 لم تتأثر بالقطع الأثرية التي تحافظ على سعة المكون المبكر. التحول إلى اتجاه الملف الخلفي الأمامي ، وزيادة القطع الأثرية العضلية وعدم الراحة مع القطع الأثرية القوية المرئية في جميع القنوات. أنتج استخدام اتجاه الملف الإنسي الجانبي TEP سعة كبيرة نظيفة عند القطب F3 يبلغ ذروته عند 12 ميكروفولت في غضون 20 مللي ثانية. أظهر هدف التحفيز النهائي مع اتجاه الملف الإنسي الجانبي الموجود بالقرب من التوجيه الأولي اتصالا هيكليا أوسع من الأهداف السابقة. بعد الحد الأدنى من المعالجة المسبقة وتسعة مكون ميكروفولت ، تم اكتشاف مكون مبكر بين 17 و 35 مللي ثانية في القطب الكهربائي F3 ، خال من القطع الأثرية العضلية. حافظت المعالجة المسبقة الكاملة لمجموعة البيانات التجريبية 300 على شكل الموجة ، مما يدل على استجابة مبكرة منخفضة بستة ميكروفولت بين 20 و 40 مللي ثانية.

View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos