Beurteilung der Übererregbarkeit des Gehirns mit transkranieller Magnetstimulation und Elektroenzephalographie

Zusammenfassung

Quelle:

Protokoll

Alle Eingriffe, an denen menschliche Teilnehmer beteiligt sind, wurden in Übereinstimmung mit den institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien für das Wohlergehen des Menschen durchgeführt und vom lokalen institutionellen Prüfungsausschuss überprüft.

1. Themenauswahl

1. Patientenauswahl für das Forschungsprotokoll.
   1. Identifizieren Sie Patienten mit aktiver Epilepsie (Anfälle innerhalb des letzten Jahres) oder einer Vorgeschichte von Fernepilepsie (frühere Anfälle, aber ohne Anfälle in den letzten fünf Jahren, weder unter noch ohne Medikamente) und periventrikulärer nodulärer Heterotopie in der strukturellen Bildgebung des Gehirns.
   2. Patienten ohne Anfälle in der Vorgeschichte ausschließen. Schließen Sie auch Patienten mit alternativen möglichen Ätiologien für Anfälle (z. B. Schädel-Hirn-Trauma, Schlaganfall, Meningoenzephalitis in der Vorgeschichte) oder mit EEG-Befunden aus, die mit einer alternativen Diagnose übereinstimmen (z. B. idiopathische generalisierte Epilepsie, mesiale Temporallappenepilepsie).
   3. Patienten mit zusätzlichen neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen oder mit anderen instabilen Erkrankungen ausschließen. Schließen Sie auch Patienten mit einer Vorgeschichte von früheren Gehirnoperationen, der Unfähigkeit, Magnetresonanztomographie (MRT) zu tolerieren, kürzlichem illegalen Substanz- oder starkem Alkoholkonsum oder einer spezifischen MRT- oder TMS-Kontraindikation aus.
2. Gesunde Auswahl des Kontrollsubjekts.
   1. Für jeden Patienten mit periventrikulärer nodulärer Heterotopie (PNH) (in unserer zuvor veröffentlichten Studie durchschnittlich 8 Patienten im Alter von 20 bis 43 Jahren 30,25; 3 männlich, 5 weiblich) identifizieren Sie eine alters- und geschlechtsspezifische gesunde Kontrolle.
   2. Ausschließen von Patienten mit anhaltenden neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen oder psychoaktiven Medikamenten, anderen instabilen Erkrankungen, einer Vorgeschichte früherer Gehirnoperationen, der Unfähigkeit, MRT zu tolerieren, illegalem Substanz- oder starkem Alkoholkonsum oder einer anderen spezifischen MRT- oder TMS-Kontraindikation.

2. Generieren der Stimulationsziele Mit

1. einem 3T-MRT-System erfassen Sie hochauflösende strukturelle Schnitte des gesamten Gehirns unter Verwendung einer T1-gewichteten Sequenz. Verwenden Sie die folgenden Erfassungsparameter: 128 Schichten pro Platte, eine Matrix von 256 x 256, Sichtfeld (FOV) 256 mm, Schichtdicke 1,33 mm mit 0,63 mm Zwischenschichtabstand, Voxelgröße 1 x 1 x 1,33 mm³, Wiederholzeit (TR) 2.530 ms, Inversionszeit 1.100 ms, Echozeit (TE) 3,39 ms, Flip-Winkel 7°.
2. Mit einem 3T-MRT-System können Sie funktionelle Bilder des Ruhezustands mit einer echoplanaren Sequenz aufnehmen, die für den blutsauerstoffabhängigen Kontrast (BOLD) empfindlich ist. Weisen Sie die Patienten während der Durchführung dieses Scans an, sich ruhig mit offenen Augen auszuruhen, ohne eine bestimmte Aufgabe auszuführen. Verwenden Sie die folgenden Erfassungsparameter: FOV 256 mm, Voxelgröße 2,0 x 2,0 x 2,0 mm, TR 6.000 ms, TE 30 ms, Flip-Winkel 90°, Erfassungszeit 6,4 min.
3. Identifizieren Sie mit der MRICroN-Software jede diskrete Region der knotigen Heterotopie (entweder jeden einzelnen Knoten oder eine untrennbare zusammenhängende Ansammlung von Knötchen). Verwenden Sie das Zeichenstift-Werkzeug, um Heterotopia-Regionen von Interesse (Regions of Interest, ROIs) Schicht für Schicht in der Axialebene auf T1-gewichteten Strukturbildern manuell zu skizzieren.
4. Verwenden Sie die CONN Functional Connectivity Software Toolbox, um vier sequenzielle Schritte bei der Verarbeitung funktionaler Daten im Ruhezustand durchzuführen: Einrichtung, Vorverarbeitung, Analyse und Ergebnisse.
   1. Verwenden Sie für Setup die Menüoptionen, um ein neues Projekt zu starten und grundlegende Experimentinformationen einzugeben. Laden Sie die Funktionsbilder, die neu ausgerichtet und gemeinsam mit den anatomischen Bildern für jedes Motiv registriert wurden.
   2. Laden Sie die Strukturbilder. Laden Sie die in Schritt 2.3 erstellten Heterotopie-ROI-Dateien. Geben Sie Details zur Versuchsbedingung ein. Da es sich um einen Ruhezustand handelt, geben Sie eine einzelne Bedingung mit einem Onset von 0 Sekunden und einer Dauer ein, die der vollständigen Dauer jeder Sitzung entspricht. Die Toolbox extrahiert die Zeitreihen der Heterotopie ROI BOLD. Überprüfen Sie auf mögliche Inkonsistenzen.
   3. Zu den verwirrenden Quellen der BOLD-Variation für die Vorverarbeitung gehören respiratorisch induzierte Modulationen des Hauptmagnetfelds und der Herzpulsationen sowie die Bewegung des Probanden. Entfernen Sie Störfaktoren mit der integrierten Hauptkomponenten-basierten Methode, die Zeitreihendaten aus Regionen analysiert, die wahrscheinlich nicht mit neuronaler Aktivität in Verbindung gebracht werden, wie z. B. Ventrikel und große Gefäße, um physiologische Geräuschprozesse zu identifizieren. Zeigen Sie eine Vorschau der Gesamtvarianz an, die durch jede der möglichen verwirrenden Quellen erklärt wird. Wenden Sie einen Bandpassfrequenzfilter (0,01 Hz < f < 0,1 Hz) und eine Gaußsche Glättung (6 mm volle Breite bei halbem Maximum) an.
      HINWEIS: Die Toolbox identifiziert standardmäßig Quellen möglicher Störfaktoren, einschließlich des BOLD-Signals aus der weißen Substanz und des Liquors sowie der Realignment-Parameter (Bewegung des Subjekts).
   4. Identifizieren Sie für Analyse und Ergebnisse die interessierenden Quellen als Heterotopie-ROIs. Zeigen Sie eine Vorschau des Konnektivitätsmaßes für die Korrelation (anstelle der Regression) an, und zeigen Sie es mit Schwellenwerten für Korrelationskoeffizienten an.
      1. Erstellen Sie für jedes Subjekt Seed-to-Voxel-Konnektivitätskarten, indem Sie jede diskrete Region der heterotopen grauen Substanz als Seed-ROI verwenden, um die Korrelation zwischen der durchschnittlichen BOLD-Signal-Zeitreihe des ROI und jedem anderen Gehirnvoxel zu demonstrieren.
      2. Führen Sie Analysen der zweiten Ebene für Kontraste zwischen Motiven oder Quellen durch (optional). Zeigen Sie die Ergebnisse mithilfe von Schwellenwerten für die Höhe (Voxelebene) und die Ausdehnung (Clusterebene) an. Unkorrigierte und Falschentdeckungsraten-korrigierte p-Werte werden angezeigt.
5. Verwenden Sie die MRICroN-Software, um zwei interessante Ziele, ein verbundenes Ziel und ein nicht verbundenes Ziel, für TMS mit dem Zeichenstift-Werkzeug manuell zu skizzieren. Überlagern Sie mit der Funktion "Overlay" die oben erstellten funktionalen Konnektivitätskarten mit den Strukturbildern für jedes Motiv.
   1. Stellen Sie sicher, dass die Zielregion eine Region des Kortex ist, die eine signifikante funktionelle Konnektivität zur Heterotopie der grauen Substanz aufweist, wie oben beschrieben. Stellen Sie sicher, dass es sich bei dem nicht verbundenen Ziel um eine ähnlich große Region handelt, die keine signifikante funktionelle Konnektivität zu einem Heterotopie-ROI aufweist und sich mindestens 2,5 cm vom verbundenen Ziel entfernt auf der kortikalen Oberfläche befindet, um das Risiko von Stimulationseffekten der Nachbarschaft während der TMS zu minimieren.
   2. Wählen Sie Ziele so, dass die Wahrscheinlichkeit großer TMS-induzierter Artefakte gering ist. Vermeiden Sie insbesondere die Auswahl von Zielen in den lateralen temporalen oder frontopolaren Regionen, da diese wahrscheinlich große Muskelkontraktions- und/oder Augenbewegungsartefakte erzeugen, die das frühe TMS-EEG-Signal verdecken können. Speichern Sie die skizzierten Ziele als neue Ziel-ROIs.
6. Bestimmen Sie die MNI-Koordinaten (Montreal Neurological Institute) für jeden Ziel-ROI in jedem Fach. Verwenden Sie dann diese Koordinaten, um die äquivalenten zwei Zielstellen in der übereinstimmenden gesunden Kontrollperson jedes Probanden zu identifizieren.

3. TMS-EEG-Versuchsaufbau

1. : Laden Sie Strukturscans (typischerweise hochauflösende T1-gewichtete volumetrische 3D-Bilder) in das Neuronavigationssystem hoch.
2. Markieren Sie mit der Neuronavigationssoftware die gewünschten Ziele auf den Bildern. Markieren Sie auch externe anatomische Marker (Nasión, bilateraler Tragus), die während der Stimulationssitzung für die Koregistrierung und Neuronavigation verwendet werden. Bei Verwendung einer EEG-Kappe mit drehbaren Elektroden und Elektrodendrähten sind die Drähte senkrecht zur Längsachse der TMS-Spule52 auszurichten.
3. Kontaktieren Sie den Probanden vor der experimentellen Sitzung, um ihn daran zu erinnern, am Tag der TMS-EEG-Sitzung keine Conditioner oder andere Haarprodukte (Shampoo ist akzeptabel) zu verwenden, alkoholische Getränke am Abend vor der TMS-EEG-Sitzung zu vermeiden und seinen üblichen täglichen Koffeinkonsum vor der TMS-Sitzung zu trinken.

4. Experimentelle Sitzung

1. Bestätigen Sie, dass der Proband die TMS-Sicherheitskriterien erfüllt, idealerweise über einen strukturierten Fragebogen. Bestätigen Sie, dass der Proband in der vorangegangenen Nacht keine alkoholischen Getränke konsumiert hat, nicht signifikant mehr oder weniger als seinen üblichen täglichen Koffeinkonsum getrunken hat, in der vorangegangenen Nacht keine rezeptfreien Schlafmittel konsumiert hat, die die kortikale Erregbarkeit verändern (wie Diphenhydramin) und eine typische Nachtruhe erhalten hat (da Schlafentzug die kortikale Erregbarkeit erhöhen kann).
2. Bitten Sie den Probanden, sich in einen bequemen Stuhl zu setzen.
3. Montieren Sie die EEG-Kappe auf das Motiv und bereiten Sie die Elektroden vor.
   1. Messen Sie den Kopf des Probanden und wählen Sie eine EEG-Kappe in geeigneter Größe, um niedrige Elektrodenimpedanzen zu ermöglichen.
   2. Reinigen Sie die Haut unter jeder Elektrode gründlich mit einem Wattestäbchenapplikator und Alkohol.
   3. Fügen Sie jeder Elektrode leitfähiges Gel hinzu. Fügen Sie nicht zu viel Gel hinzu, so dass es zwischen den Elektroden austritt, da dies eine Brücke bilden und zu einem gemeinsamen Signal zwischen verschiedenen Elektroden führen kann.
   4. Um einen guten Kontakt zwischen der Kopfhaut, dem Gel und der Elektrode zu gewährleisten, versuchen Sie gegebenermaßen, nach dem Hinzufügen des Gels auf jede Elektrode zu drücken. Um Ladeartefakte zu minimieren, stellen Sie sicher, dass sich das Gel nicht außerhalb des Elektrodenhalters ausbreitet. Homogene Reduzierung der Leitwerte zur Minimierung von Aufzeichnungsartefakten.
   5. Platzieren Sie die Referenz- und Masseelektroden so weit wie möglich von der Stimulationsspule entfernt, um die Möglichkeit zu minimieren, dass TMS-induzierte Elektrodenartefakte die gesamte Aufnahme verunreinigen. Es ist vorzuziehen, diese Elektroden über knöchernen Strukturen zu platzieren, in vermutlich "inaktiven" Zonen mit minimaler kortikaler Aktivität.
      HINWEIS: Selbst in Studien, für die die Zielorte variabel sind, ist es unwahrscheinlich, dass frontopolare Regionen als Ziele ausgewählt werden, da TMS in diesen Regionen zu großen Augenbewegungen, einer Kontraktion der Frontalis und der Gesichtsmuskulatur führen kann. und häufig Kopfhautschmerzen und Kopfschmerzen; daher wird das TMS-EEG-Signal während der Stimulation dieser Regionen oft durch große Artefakte verdeckt.
   6. Da es daher unwahrscheinlich ist, dass diese Bereiche als Ziele für die Stimulation ausgewählt werden, verwenden Sie die Stirn für die Platzierung der Referenz- und Masseelektroden. Platzieren Sie sie in einem Abstand von wenigen Zentimetern zueinander, um das Gleichtaktrauschen zu minimieren.
      HINWEIS: In Situationen, in denen sich alle Stimulationsziele in einer Hemisphäre befinden, wäre der kontralaterale Mastoid eine weitere Option.
   7. Überprüfen Sie die Elektrodenimpedanzen wie folgt: Stecken Sie die EEG-Ausgangskabel in die "Impedanz"-Buchse des EEG-Aufzeichnungssystems und drücken Sie dann die Taste "Impedanzen messen" am EEG-System. Stellen Sie sicher, dass die Elektrodenimpedanz nicht größer als 5 kΩ ist.
4. Bereiten Sie die EMG-Elektroden an der kontralateralen Hand vor (verwenden Sie den ersten dorsalen interossären oder abduktoren Pollicis brevis-Muskel; verwenden Sie denselben Muskel bei allen Probanden in einer einzigen Studie).
5. Geben Sie dem Probanden Ohrstöpsel, um das Risiko von Hörverlust und Tinnitus zu minimieren.
   HINWEIS: Eine weitere Möglichkeit wäre die Verwendung von Kopfhörern, die während des gesamten Aufnahmeprozesses weißes Rauschen oder farbiges Rauschen (mit spektralen Merkmalen, die denen des TMS-Klicks entsprechen) in einer Lautstärke abspielen, die ausreicht, um das von TMS erzeugte auditive Klicken zu maskieren. Dies hätte den zusätzlichen Vorteil, dass die potenzielle Verwirrung durch TMS-induzierte auditive evozierte Potentiale minimiert wird. Zu beachten ist, dass auch eine dünne Schaumschicht zwischen der Spule und der Kopfhaut erforderlich ist, um das auditiv evozierte Potenzial zu minimieren.
6. Platzieren Sie die Infrarotdetektoren auf dem Kopf des Probanden und stellen Sie sicher, dass die Detektoren so platziert sind, dass das Risiko von Bewegungen während der Versuchssitzung minimiert wird.
7. Registrieren Sie den Kopf des Probanden mit den MRT-Bildern, indem Sie die Position der vorausgewählten externen anatomischen Referenzmarker (Abschnitt 3.2) auf dem Probanden mit dem Zeiger identifizieren, der im Lieferumfang des Neuronavigationsgeräts enthalten ist.
8. Machen Sie den Probanden mit der Stimulation vertraut, indem Sie einen Impuls an einer anderen Stelle (z. B. am Arm des Probanden) oder einen Stimulationsimpuls mit geringer Intensität (z. B. 5 % maximale Stimulatorleistung) auf die Kopfhaut anwenden.
9. Bestimmen Sie die motorische Ruheschwelle (die minimale Intensität, die bei 5/10 Versuchen ein motorisch evoziertes Potential von mindestens 50 μV Größe erzeugt). Eine solche Methode, die Relativhäufigkeitsmethode, ist wie folgt.
   1. Bestimmen Sie die Position des motorischen Kortex des Probanden auf der Hemisphäre ipsilateral zu den auf fMRT-Konnektivität basierenden Zielen. Bei der Neuronavigation liegt diese in der Regel im Bereich des "Omegas" im Gyrus präcentralis. Winkeln Sie die Spule senkrecht zum Gyrus an, wobei der Griff okzipital zeigt.
   2. Beginnen Sie die Stimulation mit einer Intensität, die voraussichtlich unterhalb des Schwellenwerts liegt (z. B. 35 % maximale Stimulatorleistung).
   3. Erhöhen Sie die Stimulationsintensität in Schritten von 5 % der maximalen Stimulatorleistung, bis die TMS in jedem Versuch konsistent motorisch evozierte Potentiale (MEPs) mit Amplituden > 50 μV evoziert.
   4. Verringern Sie dann die Stimulationsintensität in Schritten von 1 % maximaler Stimulatorleistung, bis weniger als 5 von 10 positiven Reaktionen aufgezeichnet werden.
      HINWEIS: Diese Stimulationsintensität plus 1 ist als motorische Schwelle definiert. Alternativ können Sie Techniken der adaptiven Schwelle verwenden, um die motorische Schwelle mit weniger Reizen zu identifizieren.
10. Für die Stimulation der Zielbereiche stellen Sie die TMS-Intensität auf den gewünschten Wert ein (z. B. 120 % motorische Ruheschwelle).
    HINWEIS: In Fällen, in denen es signifikante regionale Unterschiede im Kopfhaut-Kortex-Abstand gibt (z. B. bei Patienten mit Frontallappenatrophie), kann eine solche Technik jedoch zu einer Stimulation unterhalb der Schwelle führen. Alternativ kann mit geeigneten Neuronavigationssystemen, die in der Lage sind, Online-Schätzungen des induzierten elektrischen Feldes durchzuführen, die Intensität der Stimulation auch auf eine spezifische Amplitude des berechneten induzierten elektrischen Feldes (in V/m) auf der kortikalen Oberfläche eingestellt werden.
11. Wenden Sie mit der Neuronavigationssoftware einzelne TMS-Impulse auf jede der Zielregionen an, mit einem variablen Intervall zwischen den Impulsen, um die kortikale Plastizität und die Auswirkungen der Probandenerwartung zu minimieren (z. B. alle 4 - 6 Sekunden, mit einem Intervall von mindestens 3 Sekunden, um kumulative Effekte zu vermeiden). Um die Konsistenz zu maximieren, winkeln Sie die Spule senkrecht zur Längsachse des darunter liegenden Gyrus an, wobei der Griff nach posterolateral zeigt.

Materialien