Waiting
登录处理中...

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

Neuroscience

Kombinerede transkranial magnetisk Stimulation og electroencefalografi i den Dorsolateral præfrontale Cortex

Published: August 17, 2018 doi: 10.3791/57983
Automatic Translation
1, 1, 1, 1,2, 1,2
1Temerty Centre for Therapeutic Brain Intervention at the Centre for Addiction and Mental Health, 2Department of Psychiatry and Institute of Medical Science, Faculty of Medicine, University of Toronto

Summary

Protokollen præsenteres her er om TMS-EEG undersøgelser udnytter intracortical ophidselse test-retest design paradigmer. Hensigten med protokollen er at producere pålidelige og reproducerbare kortikal ophidselse foranstaltninger til vurdering af neurofysiologisk funktion relateret til terapeutiske indgreb i behandlingen af neuropsykiatriske sygdomme som svær depression.

Abstract

Transkranial magnetisk stimulation (TMS) er en ikke-invasiv metode, der producerer neurale excitation i cortex ved hjælp af korte, tidsvarierende magnetfelt pulser. Indledningen af kortikale aktivering eller dens modulation afhænger af baggrunden aktivering af neuroner i regionen kortikale aktiveret, Karakteristik af spolen, sin position og sin orientering med hensyn til hovedet. TMS kombineret med samtidige electrocephalography (EEG) og neuronavigation (nTMS-EEG) giver mulighed for vurdering af cortico-kortikal ophidselse og tilslutningsmuligheder i næsten alle kortikale områder på en reproducerbar måde. Dette forskud gør nTMS-EEG et kraftfuldt værktøj, der kan præcist vurdere hjernens dynamik og neurofysiologi i test-retest paradigmer, der er nødvendige for kliniske forsøg. Begrænsninger af denne metode omfatter artefakter, der dækker den oprindelige hjernen reaktivitet til stimulation. Således kan processen med at fjerne artefakter også udtrække værdifulde oplysninger. Desuden, de optimale parametre for dorsolateral præfrontale (DLPFC) stimulation kendes ikke fuldt ud og nuværende protokoller udnytte variationer fra de motoriske cortex (M1) stimulation paradigmer. Udvikling nTMS-EEG designs håber dog at løse disse problemer. Protokollen præsenteres her introducerer nogle standard praksis for at vurdere neurofysiologiske funktion fra stimulation til den DLPFC, der kan anvendes hos patienter med behandling resistent psykiatriske lidelser, der modtager behandling som transkranial jævnstrøm stimulation (TDC'er), gentagen transkranial magnetisk stimulation (rTMS), magnetisk beslaglæggelse terapi (MST) eller elektrochok behandling (ECT).

Introduction

Transkranial magnetisk stimulation (TMS) er en neurofysiologisk værktøj, der giver mulighed for ikke-invasiv vurderingen af kortikale neuronal aktivitet ved hjælp af hurtige, tidsvarierende magnetfelt pulser1. Disse magnetfelt pulser fremkalde en svag strøm i den overfladiske cortex under spolen, hvilket fører til membran depolarisering. Efterfølgende kortikale aktivering eller graduering er direkte relateret til Karakteristik af spolen, dets vinkel og retning til kraniet2. Bølgeform pulsens udledes fra spolen og den underliggende tilstand af neuroner også indflydelse på det resulterende kortikale aktivering3.

TMS muliggør vurdering af kortikale funktioner af fremmane adfærdsmæssige eller motoriske svar eller gennem afbrydelse af opgaverelaterede behandling. Ophidselse af cortico-spinal processer kan evalueres gennem optagelse Elektromyografi (EMG) svar fremkaldte fra enkelt TMS pulser over den motoriske hjernebark, hvorimod intracortical excitatoriske (intracortical lettelse; ICF) og hæmmende mekanismer (korte og lange intracortical hæmning; SICI og LICI) kan blive aftestede med parret puls TMS. Gentagne TMS kan forstyrre forskellige kognitive processer, men bruges primært som et terapeutisk redskab for en bred vifte af neuropsykiatriske lidelser. Derudover kan kombination af TMS med samtidige electroencefalografi (TMS-EEG) bruges til at vurdere cortico-kortikal ophidselse og connectivity4. Endelig, hvis administrationen af TMS er leveret med neuronavigation (nTMS), det vil give mulighed for præcise test-retest paradigmer da det nøjagtige sted, stimulering kan registreres. De fleste af de kortikale kappen kan målrettes og stimuleret (herunder de områder, der ikke producerer målbare fysiske eller adfærdsmæssige reaktioner) således cortex kan være funktionelt kortlagt.

EEG-signalet fremkaldte fra enkelt eller parret puls TMS kan lette vurderingen af cortico-kortikale connectivity5 og den aktuelle tilstand af hjernen. TMS-induceret elektrisk strøm resulterer i handling potentialer, der kan aktivere synapser. Fordelingen af de postsynaptiske strømme kan optages gennem EEG6. EEG-signalet kan bruges til at kvantificere og Find synaptic nuværende distributioner gennem dipol modellering7 eller minimum-normen skøn8, når multikanals EEG er ansat, og med ledningsevne struktur af hovedet tegnede sig for. Kombinerede TMS-EEG kan være ansat til at studere kortikale hæmmende processer9, svingninger10, cortico-kortikale11 og interhemispheric interaktioner12og kortikale plasticitet13. Vigtigst af alt, kan TMS-EEG sonde ophidselse ændringer under kognitive eller motoriske opgaver med god test-retest pålidelighed14,15. Vigtigere, har TMS-EEG potentiale til at bestemme neurofysiologiske signaler, der kan tjene som prædiktorer for respons på terapeutiske interventioner (rTMS eller farmakologiske virkninger) i test-retest designs16,17.

Principperne om neuronavigation for TMS er baseret på principperne om rammeløse stereotaxy. Systemer brug en optisk tracking system18 der beskæftiger en lysemitterende kamera, som kommunikerer med lysreflekterende optiske elementer knyttet til både hoved (via en reference tracker) og TMS spolen. Neuronavigation giver mulighed for coil lokalisering på 3D-Mr model ved hjælp af en digitalisering referenceværktøj eller pen. Brugen af neuronavigation letter erobringen af coil orientering, placering og tilpasning til motivets hoved såvel digitalisering af EEG elektrode positioner. Disse funktioner er afgørende for test-retest design eksperimenter og for korrekt stimulering af en angivet placering inden for dorsolateral præfrontale cortex.

For at udnytte en TMS-EEG protokol i en test-retest eksperiment, der skal være præcis målretning og konsekvent stimulation af kortikale regionen at opnå pålidelige signaler. TMS-EEG optagelse kan være sårbare over for forskellige artefakter. TMS induceret artefakt på EEG elektroder kan filtreres med forstærkere, der kan genoprette efter en forsinkelse19,20 eller med forstærkere, der ikke kan være mættede21. Men andre typer af artefakt genereret ved øjenbevægelser eller blinker, kraniel muskel aktivering i nærhed af EEG elektroder, tilfældige elektrode bevægelse og deres polarisering og spolen klik eller somatiske sensation skal tages i betragtning. Omhyggelig emne forberedelse, der sikrer elektrode impedances under 5 kΩ, immobilisering af spolen over elektroderne og en skum mellem coil og elektroder til at reducere vibrationer (eller en spacer til at fjerne lav frekvens artefakter22), ørepropper og endda auditive maskering bør anvendes til at minimere disse artefakter23. Protokollen præsenteres her introducerer en standardproces til vurdering af neurofysiologisk funktion når stimulation anvendes over den dorsolateral præfrontale (DLPFC). Der er fokus på fælles parret puls paradigmer, der er blevet valideret i undersøgelser af M19,15,16.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle de eksperimentelle procedurer præsenteres her er blevet godkendt af vores lokale etiske udvalg efter retningslinjerne i Helsinki-erklæringen.

1. hoved registrering for Neuronavigated TMS — EEG

  1. Opnå en høj opløsning hele hovedet T1-vægtet strukturelle Mr for hver deltager. Skan ifølge retningslinjerne neuronavigation producent.
  2. Uploade billeder på navigationssystemet. Kontrollere hvis MRIs scannes korrekt. Vælg kardinalpunkter (pre auricular point, nasion og spidsen af næsen). Indsæt stimulation mål (baseret på anatomi eller baseret på hovedet koordinater, MNI eller Talairach koordinater).
  3. Placer hoved trackeren på en sådan måde så det ikke vil flytte under stimulation session og tillade frie bevægelse af TMS coil. Har de deltager Indsæt ørepropperne, før registreringen begynder.
  4. Juster deltagerens hoved til den 3D-model, Mr. Tryk på deltagerens hoved med digitalisering pennen på kardinal punkter, der blev valgt under billeder af Mr-stakken. Vælg og markere ekstra point over de tidsmæssige, parietal og occipital områder af hovedet for at reducere registrering fejlen i disse områder.
  5. Validere registrering. Placere digitalisering pennen på deltagerens hoved. Kontrollere dens repræsentation på computeren. Hvis det ikke er på det tilsvarende punkt i MR, Gentag trin 1.4.
  6. Kalibrere TMS spolen i brug (i nogle systemer, dette trin ikke er nødvendig).
    1. Vedhæfte bane at spolen.
    2. Placer spolen på kalibrering blok, så al bane er synlige fra kameraet.
    3. Tryk på knappen kalibrering på computerskærmen og holde spolen i positionen kalibrering for 5 s.

2. TMS-EEG eksperiment

  1. Placer EEG cap på hovedet og forberede elektroderne
    1. Vælge en cap som passer godt på hovedet. Sikre, at alle elektroder stramt rører hovedbunden og er funktionelle. Hvis mere end 2 elektroder ikke virker, derefter bruge en anden cap af den samme eller mindre størrelse.
    2. Placer Cz elektrode på vertex, halvvejs mellem den linje, der forbinder nasion og inion og Iz elektrode over inion.
      Bemærk: Placer de lodret (over og under de kontralaterale til stimulation øjet øje) og/eller horisontale elektroder (venstre fra venstre øje og højre fra højre, lidt over hver zygomatic knoglen) for electrooculography (EOG).
    3. Justere stumpt spidsen af sprøjten og fyld den med electroconductive gel. Placer spidsen inde i hullet af elektrode, og tryk derefter let på stemplet flangen indtil der er nogle pasta på huden. Krat hovedbunden let ved hjælp af cross-lignende flytter med stump spids. Sikre at pastaen ikke breder sig ud over toppen at undgå bridging (kortslutning mellem elektroderne).
  2. Placer EMG elektroder. Placer to engangs disc elektroder (diameter ca. 30 mm) over højre bortføreren pollicis brevis muskel (APB) for en mave senen montage. Placer jorden ifølge producentens retningslinjer.
  3. Start hoved registrering. Følg trin 1,3 – 1,6. Brug DLPFC MNI eller Talairach koordinater.
  4. Hot spot og motor tærskel.
    1. Tilføje en svamp (kunstige fibre fremstillet af polyutherane) under spolen for at minimere coil vibrationer over elektroderne under TMS pulser. Bemærk, at skum bør være omkring 10 mm tyk.
    2. Instruere deltager til at være i hvile – komfortabel og afslappet hænder, ben og rygsøjlen.
    3. Find hot spot. Målrette motor knop24 som den første milepæl af kortikal repræsentation af APB i M1 og flytte spolen indtil der er tilsvarende APB bevægelse. Bruge TMS intensiteter fremmane parlamentsmedlemmerne fra omkring 500 µV over APB. Optimere coil orientering ved at ændre sin vinkel og tilt til at fremkalde den største reaktion over hot spot.
    4. Gemme spolen positionering i neuronavigator software og reducere output intensiteten i trin på 2-3%. Give 10 impulser og hvis mere end 5 ud af 10 MEP svar over 50 µV er opnået, derefter fortsætte med at mindske intensiteten.
    5. Når mindre end 5 ud af 10 svar er fremkaldt, øge intensiteten af trin 1-2%. MT er repræsenteret som den intensitet, der producerer MEP'erne større end 50 µV 5 ud af 10 gange25. Inter stimulus interval (ISI) til MT skal være længere end 1 s, normalt angivet på 3, 4 eller 5 s.
  5. Justere intensiteten ved hjælp af følgende trin:
    1. Start på 120% af MT intensitet at producere MEP'erne over M1 fra 500 til 1.500 µV. optage 10 pulser med denne stimulator output så den gennemsnitlige svar er 1 mV. Forøge eller formindske intensiteten i trin på 1-2% indtil nå et gennemsnit på 1 mV.
    2. Vælg intensiteten for stimulation intensitet, som en procentdel af stimulator output, fx., 110%, 120%, osv.
    3. Find den tilsvarende induceret felt i V/m (hvis systemet tillader). Placer spolen over DLPFC; justere den stimulator output indtil beregning af feltet induceret bliver den samme som over M1 for den samme kortikale dybde.
  6. Digitalisere EEG elektroder, således at deres holdning er registreret til hjernen anatomi.
    Bemærk: Dette er et meget vigtigt skridt for at lokalisere fordelingen af neuronal aktivering og nøjagtige Repositionering af elektroderne i follow-up-session.
  7. Optage TMS-EEG
    1. Erstatte ørepropperne med ørepropper med luft rør til at forbinde til audio maskering (fx., hvid støj) hvis det er tilgængeligt og tilføje hovedtelefoner over dem. Spille den lyd maskering kun under TMS puls levering.
      Bemærk: Dette trin kan anvendes på trin 2.4.2 uden at spille den lyd maskering og med omhu så hovedet trackers ikke flyttes.
    2. Montere spolen på spolen indehaveren og sørg for, at spolen ikke flytte eller trykke på elektroderne under det. Sørg for, at svampen er mellem elektroderne og spolen.
    3. Fjerne alle aktive skærme ude af syne for deltageren. Give instruktioner til deltageren at stirre på et fast punkt, ikke at ændre hans/hendes hovedets stilling under TMS levering og ikke at blinke mellem TMS pulser.
    4. Sluk alle fluorescerende lys. Kør enkelt puls TMS, SICI, ICF og LICI i en tilfældig rækkefølge for hver deltager. Give 100 enkelt og parret pulser. Bruge forskellige ISI af 3 – 4 s (±20%) eller en konstant på 3-5 s (Se Note). Give en pause på 3-5 min mellem hver tilstand, så deltageren kan slappe af og strække.
      Bemærk: SICI og ICF indebærer et parret-puls TMS paradigme med en subthreshold conditioning stimulus (CS) og en suprathreshold test stimulus (TS). CS anvendes i denne protokol er 80% af MT og TS på intensiteten fremmane en 1 mV MEP top til top26. Inter puls interval anvendt til optimal SICI er på 2 ms og for ICF på 12-1327. LICI paradigme indebærer binding af supra-tærskel CS på intensiteten fremmane den 1 mV MEP top-til-top efterfulgt af en anden suprathreshold TS igen ved hjælp af den intensitet, der fremkaldte en 1 mV MEP top-til-top og med et indbyrdes puls interval på 100 ms. ISI for både enkelt og parret puls paradigmer bestemmes af den stimulator opladningstiden (vores system kan tillade parrede pulser hver 4 s), mængden af sessioner (længere eksperimenter ville kræve mindre ISI til ikke overbelaste deltagerne) og den analyse, der er kommer til at ske. I denne undersøgelse, brugte vi en konstant ISI 5 s på grund af vores stimulator begrænsninger og også fordi vi har brug for flere cyklusser af lavfrekvent band (theta rytme) for tid-frekvens og power spectrum analyse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1 A illustrerer TMSevoked potentialer efter DLPFC stimulation over F3 elektrode efter averaging 100 epoker fra hver session for en sund volontør. I denne illustration fremhæver vi effekten af CS på TS i forhold til enkelt puls betingelse når TS anvendes alene. CS modulerer N100 fordrejning på en tydelig måde selv i et emne. SICI og LICI-sessioner, N100 øges normalt og i ICF falder i absolutte værdier i forhold til SP betingelse16. I figur 1B, topografiske fordelingen af N100 komponent af SP, har SICI og ICF paradigme været lokaliseret bilateralt som det har været vist i mange tidligere undersøgelser16,17,28, 29.

Figure 1
Figur 1 : TMS-EEG foranstaltninger af kortikal ophidselse. (A) Grand gennemsnittet af TMS-fremkaldte EEG svar fra DLPFC ROI elektroder efter DLPFC stimulation. (B) N100 værdierne afbildet topografisk på tværs af alle elektroder til hver session. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

TMS-EEG giver mulighed for direkte og noninvasive stimulering af de fleste kortikale områder og erhvervelse af de resulterende neuronal aktivitet med meget god spatio-temporal opløsning30, især når neuronavigation er udnyttet. Fordelen ved denne metodologiske advance er faktum, at TMS-fremkaldte EEG signaler stammer fra den elektriske neurale aktivitet og det er et indeks over cortico-kortikal ophidselse. Dette har stort potentiale i neuropsykiatriske patientgrupper, hvor TMS-EEG kan bruges som en biomarkør for nuværende og fremtidige terapeutiske indgreb.

Den mest kritiske trin i protokollen er forberedelsen af elektroder og bestemmelse af stimulation intensitet. Dette er fordi TMS-EEG-signalet er modtagelige for TMS artefakt, uanset slags forstærkere bruges31. Elektroderne skal forberedes meget omhyggeligt, så de ikke bro med hinanden og deres impedans holdes under 5 kΩ, og signal-støj-forholdet er høj. Derudover kan en svamp, lavet af kunstige polyutherane fibre af 5-10 mm justeret under spolen yderligere reducere den mekanisk pres og artefakt af coil klik lyd gennem knogle ledningsforstyrrelser.

MT bestemmer TMS-intensitet; Derfor bør det måles nøjagtigt som højere intensitet vil føre til større artefakter og mindre fokal stimulation, mens mindre intensitet kan resultere i meget svage signaler. Således motor hot spot burde blive fundet med hjælp fra neuronavigation og MT anslås med EMG optagelser (støj under 50 µV og muskler helt afslappet). Dog bør man ikke glemme, at focality og nøjagtigheden af hver stimulation stammer fra form og varighed af TMS pulser32.

Manglen på foranstaltninger for en DLPFC tærskel foreslår også at intensiteten bør justeres efter amplituden af den anslåede induceret elektrisk felt23 og ikke baseret på den stimulator intensitet output som den konventionelle metode. Dette kræver, at MT intensitet skal estimeres i V/m for en specifik kortikale dybde og derefter den samme dybde og V/m skal bruges til at genberegne den stimulator output intensitet for DLPFC stimulation. Dette er et særlig vigtigt spørgsmål for fremtidige undersøgelse af parret puls protokoller som dem præsenteret her, hvor TS er altid ved suprathreshold intensitet. Der er imidlertid behov for at definere DLPFC intensitet fra den registrerede TEP33 eller svingninger34 under DLPFC stimulation, som det er blevet foreslået i nyere undersøgelser for M1 kortikale og ikke-corticospinal foranstaltninger.

Vigtigere, bør DLPFC stimulation websted udvalgt på baggrund af MNI eller Talairach koordinaterne og indsat på MRIs af neuronavigation. MNI koordinater for den venstre DLPFC (-35, 45, 38) er trukket fra en undersøgelse, at identificere dette site som optimal, baseret på kliniske resultater og hvilende tilstand funktionelle connectivity35. Placering af spolen med hensyn til orientering og hældning er en anden vigtig variabel. Der er to måder at nærme sig coil orientering og hældning: a) 45 grader med midterlinjen med håndtaget peger på de laterale dele af halvkugle9 og b) vinkelret den midterste frontal sulcus med lateral til mediale aktuelle retning14. Først er normalt anvendes, når ingen navigation findes, mens den anden ene kræver reelle Mr og navigation og det inducerer maksimum på feltet. Før du starter optagelserne, finjustering af spolen, så det vækker mindst muskel artefakter5 uden at påvirke de stimulation fysiologiske reaktioner skal udføres (små ændringer på 1-2 mm i midten af spolen, samt tilt og orientering subtile ændringer).

Sammenligning af de forskellige retningslinjer skal gøres, da der er ingen kendte undersøgelser, der har undersøgt effekten af forskellige coil positionering over DLPFC. Endnu vigtigere, er der et behov for en metode til at definere DLPFC hotspot baseret på EEG foranstaltninger på en lignende måde, M1 hotspot er defineret af EMG. Endelig, et meget vigtigt aspekt her er placering af elektroderne og deres digitalisering af deres placering. I test-retest designs, som fælles landbrugspolitik er placeret for at følge op eksperimenter, skal elektroderne digitaliseres. Så begge digitaliseringer (af først og consequents eksperiment) bør være visualiseret over 3D Mr-modellen eller MRI-skabelonen (som kan være en god pålidelig løsning, når enkelte MRIs ikke kan opnås). Fælles landbrugspolitik bør være flyttede derefter om nødvendigt så positionering over kraniet af elektroder i opfølgende eksperiment svarer til placeringen af den første måling. Dette vil sikre, at data vil være afledt fra de nøjagtige samme placeringer af de elektroder, der blev stimuleret med den nøjagtige samme magnetfelt.

Før du starter stimulation, skal de valgte kortikale websted kontrolleres for hjernenerver passerer under spolen. Derfor et par TMS-EEG epoker skal registreres, og artefakterne evalueres. Således skal signal kontrolleres for amplituder større end 70 µV og ikke-synkroniseret højfrekvens-lav amplitude svingninger (muskler, og hjernenerver artefakter). At fjerne disse artefakter kan gøres ved fine og subtile Repositionering af spolen eller dets orientering kun, som det er blevet foreslået i tidligere undersøgelser36. Endelig, i TMS-EEG sessioner, TMS coil bør overvåges af realtid neuronavigation og holdes immobiliseret. Den bedste måde er at montere den på et stativ eller en mekanisk arm. Denne løsning forhindrer også at trykke på spolen med hænderne mod elektroder, tilføje mekanisk pres artefakter på dem. Eventuelle ændringer bør rettes umiddelbart og de respektive epoker markeret som dårlig og udelukket fra dataanalyse, at EEG svar til TMS er meget følsomme over for den undertrykkelse af netbårne af disse parametre37. Alle disse detaljerede forslag kan sikre test-retest pålideligheden af TMS-EEG i enkelt14 og parret puls paradigmer15 over DLPFC. Opmærksomhed på disse vigtige detaljer vil sikre, at dataene, der har den højeste chance for afspejler ændringer relateret til de terapeutiske indgreb.

TMS-EEG ligesom alle andre eksperimentelle metode har sine egne specifikke begrænsninger. Det store spørgsmål er de forskellige typer af artefakter og den kendsgerning, at TMS-kompatible EEG forstærkere ikke kan fjerne de resterende artefakter. Artefakter fra kranie muskler, kan især når frontale og laterale steder over kraniet stimuleres, sløre og modulere EEG-signalet. Disse artefakter kan være større end TMS-EEG-signalet og normalt sidste længere, således de kan skjule TEPs. På samme måde, men kun i områder som DLPFC, TMS kan fremkalde stor øje blink artefakter. Derudover kan mange andre artefakter såsom elektrode bevægelse, hud sensation og auditive aktiveringer på grund af TMS coil Klik gøre EEG analyse endnu vanskeligere (for detaljer, se tidligere publikationer31,38). Meget arbejde i feltet har været rettet mod afvise en række forskellige artefakter, hvilket resulterer i mere pålidelige spatio-temporale lokalisering af kilderne til hjernen svar38,39,40,41 , 42. dog bør man ikke glemme, at den omhyggelige forberedelse af deltagerne, valg af udstyr og nøjagtig ydeevne af måling bestemme kvaliteten af TMS-EEG rådata.

TMS-EEG er et kraftfuldt værktøj til at vurdere intracortical hæmning og excitation mekanismer relateret til stimulering af DLPFC. Ved blot at ændre nogle parametre, det giver mulighed for undersøgelse af kredsløb medieret af GABAAR (SICI), GABABR (LICI) og NMDAR (ICF). Graduering af forskellige TEP komponenter gennem farmakologiske eller elektromagnetisk terapeutiske indgreb kan tjene som en markør til at identificere hæmmende og excitatoriske neurotransmission, kortikal plasticitet og mange flere hjerne tilstand ændrer og betingelser 43. i tillæg til TEP'S, TMS-fremkaldte oscillerende aktivitet gennem tiden frekvens og spektralanalyse kan vurdere naturligt eller iboende hyppigheden af de ovenstående kredsløb10. Elektriske hjernen indekser som nuværende kilde tæthed4 gældende for alle kortikale områder kan bidrage til at optrævle mekanismerne af plasticitet i beskadiget hjernen kredsløb i DLPFC44.

Yderligere er af farmakologiske valideringsundersøgelser af disse paradigmer i DLPFC nødvendige. Men der er stort potentiale for TMS-EEG skal bruges til at studere mekanismerne af forskellige terapeutiske interventioner, såsom Neuromodulationsbehandling terapier (fx., rTMS, ECT, MST) eller farmakologiske dem i raske frivillige eller i forskellige psykiatriske lidelser9,15,16,17,45,46, men også alternative interventioner eller kombinationer af disse43. Vigtigst, kan TMS-EEG pålideligt vurdere hjernens dynamik før og efter en intervention og derfor potentielt tjene som biomarkør.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Pantelis Lioumis har været en betalt konsulent for Nexstim Plc. (Helsinki, Finland) udenfor det indsendte arbejde (dvs., motor og taleprogrammer kortlægning rTMS inden 2017). Reza Zomorrodi er medlem af advisory board for Vielight Inc. (Toronto, Canada). Zafiris J. Daskalakis modtager forskningsstøtte fra de canadiske institutter for sundhedsforskning (CIHR), National Institutes of Health - os (NIH), Weston hjernen Institute, hjernen Canada og familien Temerty gennem CAMH Foundation og Campbell forskning Institut. Han modtog forskning og naturalier udstyr støtte til en investigator-indledt undersøgelse af Brainsway Ltd, og han er site principal investigator for tre sponsor-indledt undersøgelser for Brainsway Ltd Han modtog naturalier udstyr støtte fra Magventure for denne investigator-indledt undersøgelse. Daniel M. Blumberger modtager forskningsstøtte fra de canadiske institutter for sundhedsforskning (CIHR), National Institutes of Health - os (NIH), Weston hjernen Institute, hjernen Canada og familien Temerty gennem CAMH Foundation og Campbell forskning Institut. Han modtog forskning og naturalier udstyr støtte til en investigator-indledt undersøgelse af Brainsway Ltd, og han er site principal investigator for tre sponsor-indledt undersøgelser for Brainsway Ltd Han modtog naturalier udstyr støtte fra Magventure for denne investigator-indledt undersøgelse. Han modtog medicin forsyninger til en investigator-initierede forsøg fra Indivior. Han har deltaget i et advisory board for Janssen.

Acknowledgments

Dette arbejde var delvis finansieret af NIMH R01 MH112815. Dette arbejde blev også støttet af Temerty Family Foundation, Grant Family Foundation og Campbell familie Mental Health Research Institute på Center for afhængighed og Mental sundhed.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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 70 mm 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Barker, A. T., Jalinous, R., Freeston, I. L. Non-invasive magnetic stimulation of human motor cortex. Lancet. 1 (8437), London, England. 1106-1107 (1985).
  2. 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).
  3. 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, Pt 3 867-882 (1999).
  4. 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).
  5. Massimini, M., Ferrarelli, F., Huber, R., Esser, S. K., Singh, H., Tononi, G. Breakdown of cortical effective connectivity during sleep. Science. 309 (5744), New York, N.Y. 2228-2232 (2005).
  6. Ilmoniemi, R. J., et al. Neuronal responses to magnetic stimulation reveal cortical reactivity and connectivity. Neuroreport. 8 (16), 3537-3540 (1997).
  7. Scherg, M., Ebersole, J. S. Models of brain sources. Brain Topography. 5 (4), 419-423 (1993).
  8. Hämäläinen, M. S., Ilmoniemi, R. J. Interpreting magnetic fields of the brain: minimum norm estimates. Medical & Biological Engineering & Computing. 32 (1), 35-42 (1994).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Wiles, A. D., Thompson, D. G., Frantz, D. D. Accuracy assessment and interpretation for optical tracking systems. SPIE. 5367, 421-433 (2004).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Massimini, M., et al. Cortical reactivity and effective connectivity during REM sleep in humans. Cognitive Neuroscience. 1 (3), 176-183 (2010).
  24. 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, Pt 1 141-157 (1997).
  25. 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).
  26. Chen, R., et al. Intracortical inhibition and facilitation in different representations of the human motor cortex. Journal of Neurophysiology. 80 (6), 2870-2881 (1998).
  27. 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).
  28. Ferreri, F., et al. Human brain connectivity during single and paired pulse transcranial magnetic stimulation. NeuroImage. 54 (1), 90-102 (2011).
  29. Premoli, I., et al. Characterization of GABAB-receptor mediated neurotransmission in the human cortex by paired-pulse TMS-EEG. NeuroImage. 103, 152-162 (2014).
  30. Rogasch, N. C., Fitzgerald, P. B. Assessing cortical network properties using TMS-EEG. Human Brain Mapping. 34 (7), 1652-1669 (2013).
  31. Ilmoniemi, R. J., Kicić, D. Methodology for combined TMS and EEG. Brain Topography. 22 (4), 233-248 (2010).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. Casarotto, S., et al. Transcranial magnetic stimulation-evoked EEG/cortical potentials in physiological and pathological aging. Neuroreport. 22 (12), 592-597 (2011).
  37. 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).
  38. Wu, W., et al. ARTIST: A fully automated artifact rejection algorithm for single-pulse TMS-EEG data. Human Brain Mapping. , (2018).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. 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).
  44. 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).
  45. 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).
  46. 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).

Tags

Neurovidenskab spørgsmålet 138 kombinerede transkranial magnetisk stimulation og electroencefalografi korte intracortical hæmning lang intracortical hæmning intracortical lettelse gentagen transkranial magnetisk stimulation magnetisk beslaglæggelse terapi depression
Kombinerede transkranial magnetisk Stimulation og electroencefalografi i den Dorsolateral præfrontale Cortex
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lioumis, P., Zomorrodi, R., Hadas,… More

Lioumis, P., Zomorrodi, R., Hadas, I., Daskalakis, Z. J., Blumberger, D. M. Combined Transcranial Magnetic Stimulation and Electroencephalography of the Dorsolateral Prefrontal Cortex. J. Vis. Exp. (138), e57983, doi:10.3791/57983 (2018).

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