Method Article

Ein Multimodal Imaging- und Stimulations-basierte Verfahren zur Bewertung der Connectivity-bezogenen Erregbarkeit des Gehirns bei Patienten mit Epilepsie

DOI:

10.3791/53727

November 13th, 2016

In This Article

Summary

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Die MRT mit funktioneller Konnektivität im Ruhezustand hat Anomalien bei Patienten mit einer Vielzahl von neuropsychiatrischen Störungen identifiziert, einschließlich Epilepsie aufgrund von Fehlbildungen der kortikalen Entwicklung. Die transkranielle Magnetstimulation in Kombination mit dem EEG kann zeigen, dass Patienten mit Epilepsie in Regionen mit abnormaler Konnektivität eine kortikale Übererregbarkeit aufweisen.

Abstract

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Funktionelle Konnektivität im Ruhezustand MRT (rs-fcMRT) ist eine Technik, die die Konnektivität zwischen verschiedenen Gehirnregionen auf der Grundlage von Korrelationen im Laufe der Zeit in dem von der Blutsauerstoffversorgung abhängigen Signal identifiziert. rs-fcMRT wurde ausgiebig eingesetzt, um Anomalien in der Gehirnkonnektivität bei verschiedenen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen zu identifizieren. Der Zusammenhang zwischen rs-fcMRT-Konnektivitätsanomalien, der Elektrophysiologie des Gehirns und dem Krankheitszustand ist jedoch unbekannt, zum Teil, weil die kausale Bedeutung von Veränderungen der funktionellen Konnektivität in der Pathophysiologie der Krankheit nicht nachgewiesen wurde. Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine Technik, die elektromagnetische Induktion nutzt, um nicht-invasiv fokale Veränderungen der kortikalen Aktivität hervorzurufen. In Kombination mit der Elektroenzephalographie (EEG) kann die TMS verwendet werden, um die Reaktion des Gehirns auf äußere Störungen zu beurteilen. In dieser Arbeit stellen wir ein Protokoll zur Kombination von rs-fcMRT, TMS und EEG zur Verfügung, um die physiologische Bedeutung von Veränderungen der funktionellen Konnektivität bei Patienten mit neuropsychiatrischen Erkrankungen zu bewerten. Wir liefern repräsentative Ergebnisse aus einer zuvor veröffentlichten Studie, in der rs-fcMRT verwendet wurde, um Regionen mit abnormaler Konnektivität bei Patienten mit Epilepsie aufgrund einer Fehlbildung der kortikalen Entwicklung, der periventrikulären nodulären Heterotopie (PNH), zu identifizieren. Die Stimulation bei Patienten mit Epilepsie führte zu einer abnormalen TMS-evozierten EEG-Aktivität im Vergleich zur Stimulation der gleichen Stellen bei übereinstimmenden gesunden Kontrollpatienten, mit einem abnormalen Anstieg der späten Komponente des TMS-evozierten Potenzials, was mit kortikaler Übererregbarkeit übereinstimmt. Diese Anomalie war spezifisch für Regionen mit abnormaler funktioneller Konnektivität im Ruhezustand. Die Analyse der elektrischen Quelle bei einem Probanden mit zuvor aufgezeichneten Anfällen zeigte, dass der Ursprung der abnormalen TMS-evozierten Aktivität mit der Anfalls-Onset-Zone übereinstimmte, was auf das Vorhandensein eines epileptogenen Schaltkreises hindeutet. Diese Ergebnisse zeigen, wie rs-fcMRT, TMS und EEG zusammen genutzt werden können, um die physiologische Bedeutung einer abnormalen Gehirnkonnektivität bei menschlichen Krankheiten zu identifizieren und zu verstehen.

Introduction

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Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein Mittel, nicht-invasiv Regionen Kortex durch elektromagnetische Induktion zu stimulieren. In TMS, eine große, aber räumlich begrenzten magnetischen Fluß verwendet, um ein elektrisches Feld in einer Ziel kortikalen Bereich zu induzieren und dadurch die Aktivität des zugrunde liegenden Nervengewebe modulieren. TMS zu motorischen Kortex führt zu motorisch evozierte Potenziale, die peripher über Elektromyographie (EMG) gemessen werden kann. Wenn in Paaren oder Triplets von Impulsen angelegt, kann TMS verwendet werden , um die Aktivität spezifischer intrakortikale GABAergen und glutamatergen Schaltungen 1-3, zu beur....

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Protocol

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Das hier beschriebene Protokoll wurde von den Institutional Review Boards des Beth Israel Deaconess Medical Center und dem Massachusetts Institute of Technology genehmigt.

1. Auswahl Betreff

  1. Patientenauswahl für die Forschung Protokoll.
    1. Identifizieren Patienten mit aktiver Epilepsie (Krampfanfälle innerhalb des letzten Jahres) oder eine Geschichte der Fern Epilepsie (vor Anfällen, aber ohne Anfälle in den letzten fünf Jahren entweder an oder aus Medikamenten) und periventrikuläre knotige Heterotopie auf strukturelle Bildgebung des Gehirns.
    2. Ausschließen Patienten ohne Vorgeschichte von Krampfanfällen. Auch aus....

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Results

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Resting-State - funktionelle Konnektivität fMRI kann verwendet werden , um Bereiche der Hirnrinde zu identifizieren , die hohe funktionelle Konnektivität mit den heterotopen periventrikuläre grauen Substanz Knötchen (Abbildung 1) zeigen, und Kontrollregionen ohne solche Konnektivität. Um zu bestimmen, ob eine solche abnormale funktionelle Konnektivität physiologische Bedeutung hat, kann der kortikalen Region mit korrelierten Ruhezustand Aktivität wie die "verbunden" Ziel.......

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Discussion

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Resting-State - funktionelle Konnektivität MRI verwendet wurde Netzwerk - Konnektivität im menschlichen Gehirn zu identifizieren, und Änderungen der Konnektivität zu identifizieren , die 26,31,32 in verschiedenen Krankheitszuständen auftreten. Doch wie fMRI funktionelle Konnektivität auf die Identifizierung Korrelationen im BOLD-Signal basiert und als Änderungen Blutoxydation eine nicht-triviale Beziehung zu Grunde liegenden neuronalen Aktivität, die kausale Bedeutung und physiologische Relevanz dieser Befund.......

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Disclosures

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MMS, SWG, CJC und BSC haben nichts offenzulegen. APL ist Mitglied des wissenschaftlichen Beirats von Nexstim, Neuronix, Starlab Neuroscience, Neuroelectrics und Neosync und als Erfinder in mehreren erteilten und angemeldeten Patenten zur Echtzeitintegration der transkraniellen Magnetstimulation (TMS) mit Elektroenzephalographie (EEG) und Magnetresonanztomographie (MRT) aufgeführt.

Acknowledgements

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Die Autoren danken Emily L. Thorn, B.A., für ihre Unterstützung bei der Quellenschätzung der evozierten elektrischen Aktivität. MMS wurde durch einen KL2/Catalyst Medical Research Investigator Training Award von Harvard Catalyst/The Harvard Clinical and Translational Science Center (National Center for Research Resources und National Center for Advancing Translational Sciences, National Institutes of Health Award KL2 TR001100) unterstützt. CJC wurde durch einen Zuschuss der National Institutes of Health (5K12NS066225) unterstützt. APL wurde teilweise durch Zuschüsse der Sidney R. Baer Jr. Foundation, der National Institutes of Health (R01 HD069776, R01 NS073601, R21 M....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
3T MRT-Scanner
MRT-Funktionskonnektivitätssoftware
MRT-BildbetrachtungssoftwareMRICron
Transkranieller Magnetischer StimulatorNexstimeXimia StimulatorKann Stimulatoren anderer Anbieter verwenden, z. B. , Magventure, Magstim
MRT-NeuronavigationssystemNexstimNBS v3.2.1Alternatives MRT-Neuronavigationssystem, z.B. , Brainsight, Localite
TMS-kompatibles EEG-SystemNexstimEximia EEG-Alternativen: Brain Products, Synamps, ANT
MatlabMathworksR2012bAlternativen: Octave
EEGLab
Minimum Norm Estimate (MNE) Software
FreeSurfer

References

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  1. Florian, J., Müller-Dahlhaus, M., Liu, Y., Ziemann, U. Inhibitory circuits and the nature of their interactions in the human motor cortex a pharmacological TMS study. J. Physiol. 586 (2), 495-514 (2008).
  2. Rotenberg, A.

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Resting State Functional ConnectivityTranscranial Magnetic StimulationElectroencephalography RecordingEpilepsy Brain ExcitabilityCortical Hyperexcitability AssessmentTMS Evoked EEG ActivityFunctional Connectivity MRINeuronavigation Guided StimulationIndependent Component AnalysisSeizure Onset Zone Localization

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