Die Kombination TMS und fMRT dem Standard-Modus Netzwerk Untersuchen

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die kortikale Erregbarkeit mittels repetitiver transkranieller Magnetstimulation zu verändern und anschließend die Auswirkungen auf die Aktivierung des Standardnetzwerks im Gehirn mittels funktioneller MRT zu untersuchen. Dies wird erreicht, indem zunächst eine anatomische Grundlinienaufnahme des Probanden angefertigt wird, die zur gezielten Stimulation einer kortikalen Stelle verwendet werden kann. Der zweite Schritt des Verfahrens besteht darin, mehrere Durchläufe der Ruhezustands-fMRT vor der Stimulation aufzuzeichnen.

Der dritte Schritt des Verfahrens besteht darin, TMS unter Verwendung von Stimulationsparametern, die aufgrund ihrer modulatorischen Wirkungen ausgewählt wurden, auf das ausgewählte kortikale Zielgebiet anzuwenden. Der letzte Schritt des Verfahrens ist, erneut mehrere Durchläufe funktioneller Bildgebung aufzuzeichnen. Letztendlich können Ergebnisse erzielt werden, die TMS-induzierte Veränderungen der Aktivierung des Ruhenetzwerks mittels blutoxygenierungsgradabhängiger Bildgebungsanalyse zeigen.

Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber der alleinigen Nutzung der funktionellen Magnetresonanztomographie (FMRT) liegt darin, dass wir mit TMS ein Areal modulieren können, um die Netzwerkdynamik zu beobachten. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Bereich der kognitiven Neurowissenschaft zu beantworten. Sie ermöglicht nicht nur ein besseres Verständnis der Interaktionen innerhalb eines bestimmten Ruhenetzwerks, wie beispielsweise des Standardnetzwerks, sondern hilft uns auch, die Wechselwirkungen zwischen dem Standardnetzwerk und anderen Ruhezustandsnetzwerken besser zu verstehen.

Mehrere Tage vor den eigentlichen TMS- und funktionellen Bildgebungsexperimenten. Lassen Sie Ihren Probanden zur Grunduntersuchung mit einer anatomischen Aufnahme kommen, die während des TMS-Verfahrens für die neuronavigation verwendet wird. Beginnen Sie damit, dass Ihr Proband folgendes abschließt.

Alle notwendigen Unterlagen, einschließlich eines Forschungszustimmungsformulars und weiterer Studiendokumente. Fügen Sie ein standardisiertes MRT-Ausschlusskriterien-Formular bei und überprüfen Sie es, um sicherzustellen, dass keine Kontraindikationen für die MRT vorliegen, wie beispielsweise Stents oder Aneurysmabügel. Nutzen Sie diese Gelegenheit außerdem, um den Probanden bezüglich TMS vorab zu screenen und die Einzelheiten des Experiments zu erläutern.

Bringen Sie als Nächstes Ihren Probanden zum Scanner und platzieren Sie ihn auf der Scannerliege. Es sollte eine T1-gewichtete 3D-SPGR-MPRage-Aufnahme oder eine vergleichbare Untersuchung mit einem Messfeld, das den gesamten Kopf einschließlich Ohren, Nase und Kopfhaut erfasst, angefertigt werden. Eine Schichtdicke von etwa einem Millimeter wird empfohlen.

Laden Sie diesen Scan in Ihre rahmenlose stereotaktische Software, die für die Neuro-Navigation während des TMS-Verfahrens verwendet wird, und nutzen Sie diese Software, um Ihre Stimulationskoordinaten zu lokalisieren und anzusteuern. Für dieses Experiment werden wir das hier am Tag des Experiments dargestellte linke untere Parietalläppchen anvisieren. Berücksichtigen Sie, dass die neuromodulatorischen Effekte von rTMS vorübergehend sind und dass die Zeit knapp ist, wenn kombinierte TMS- und fMRT-Experimente durchgeführt werden.

Daher sollten die folgenden Schritte unternommen werden, um einen zeitnahen Übergang zwischen den experimentellen Schritten sicherzustellen. Zunächst sollte ein tragbares TMS-Gerät in einem Raum neben oder so nah wie möglich am Scanning-Bereich positioniert werden. In diesem Experiment wird das System in der angrenzenden Beobachtungseinheit direkt neben dem Scanner aufgebaut.

Stellen Sie jedoch sicher, dass sich die nicht mit der MRT kompatiblen Geräte jederzeit außerhalb der Fünf-Meter-Linie befinden. Zweitens vergewissern Sie sich, dass die zuvor angefertigte und prätargetierte anatomische MRT-Aufnahme der Versuchsperson in die stereotaktische Software geladen wurde und während des TMS-Verfahrens zur Verfügung steht. Schließlich befestigen Sie die stereotaktische Ausrüstung an der stimulierenden Spule und kalibrieren die Spule mit Ihrem gewählten Softwarepaket.

Hier wird ein Satz von Infrarotsensoren ausgerichtet, um die Zentrizität der Spule zu erfassen. Sobald der experimentelle Aufbau abgeschlossen ist, bereiten Sie die Versuchsperson auf die MRT-Untersuchung vor, überprüfen Sie erneut die MRT-Sicherheit und bitten Sie die Versuchsperson, sämtliche metallische Gegenstände zu entfernen und sicherzustellen, dass sie vorher die Toilette benutzt hat. Führen Sie die Versuchsperson in den Scanner-Raum und positionieren Sie sie bequem auf der Scanner-Liege, wobei Sie Unterstützung für den Rücken und den Hals bereitstellen, wie zur Gewährleistung des Wohlbefindens erforderlich.

Während der Scans stecken Sie Ihre Kopfspule ein und verwenden Sie Schaumstoffpolster um den Kopf des Probanden, um Bewegungsartefakte zu reduzieren. Führen Sie Ihre LOCALIZER-Scans sowie einen initialen und einen anatomischen Scan durch. Führen Sie anschließend drei funktionelle experimentelle Durchläufe à sechs Minuten durch.

Wir schlagen die folgenden Parameter vor: Echo-Planar-Bildgebung mit einem TR von 2,5 Sekunden, einer Voxelgröße von drei Millimetern und einem Gesamthirn-Bildausschnitt. Während jedes Durchlaufs wird ein Fixationspunkt im zentralen Sichtfeld des Probanden dargestellt, und der Proband erhält die Anweisung, sich zu entspannen und passiv darauf zu starren. Eine einfache Fixationsaufgabe wie diese eignet sich gut zur Untersuchung der Aktivierung des Ruhenetzwerks.

Nach Abschluss der ersten funktionellen Messung helfen Sie der Versuchsperson aus dem Scanner und lassen Sie sie bequem sitzen, auf einem Stuhl neben der TMS-Anlage. Stellen Sie Gehörschutz zur Schallabschirmung während der Stimulation bereit.

Führen Sie nun Ihren Probanden an das TMS-Gerät und die Stimulations-Spule heran. Geben Sie einige Pulse in der Nähe des Kopfes des Probanden ab, damit er oder sie sich an das laute Klickgeräusch gewöhnen kann, und setzen Sie einen Puls über der Hand ab, damit er oder sie die dadurch erzeugte Klopfempfindung spüren kann. Jetzt sind Sie bereit, den Kopf Ihres Probanden mit der Stereotaxie-Ausrüstung zu kalibrieren.

Platzieren Sie zunächst einen Infrarot-Tracker hier am Kopf des Probanden. Infrarotsensoren dienen der Erfassung mehrerer anatomischer Landmarken, einschließlich beider Ohren, der Nase und des Nasions. Diese Landmarken werden von der stereotaktischen Software erfasst, sodass die zuvor angefertigte anatomische Aufnahme mit dem Kopf des Probanden korregistriert wird.

Als Nächstes bestimmen Sie die Ruhemotorische Schwelle Ihres Probanden. Verwenden Sie für dieses Protokoll einzelne Pulse über dem primären motorischen Kortex, wie hier gezeigt, bewegen Sie die Spule und passen Sie die Stimulationsintensität an, bis Sie die Region finden, die bei vier von acht Versuchen Muskelzuckungen in der kontralateralen Hand hervorruft. Stellen Sie abschließend die Intensität und Parameter des TMS-Geräts auf die Werte ein, die während der Stimulation verwendet werden sollen.

Für dieses Experiment wird eine Stimulation mit 20 Hertz bei 110 % der motorischen Schwelle mit einem Stimulationsmuster aus zwei Sekunden dauernden Serien und 28 Sekunden dauernden Ruhephasen verwendet, was nachweislich die kortikale Erregbarkeit erhöht. In zukünftigen Experimenten kann eine Stimulation mit einem Hertz verwendet werden, um inhibitorische Effekte zu untersuchen. Wir sind nun bereit, den TMS-Teil des Experiments zu beginnen. Stellen Sie daher erneut sicher, dass der Proband bequem sitzt und direkt wieder in den Scanner zurückkehren kann.

Nach der TMS-Sitzung. Vor der Stimulation halten Sie die Spule tangential zur Kopfhaut und verwenden Sie die Stereobestrahlungsausrüstung und die Softwareanzeige, um die zuvor bestimmte kortikale Stimulationsstelle des Probanden zu lokalisieren und anzusteuern; schalten Sie dann das Kühlsystem der Maschine ein. Halten Sie nun die Spule über dem kortikalen Zielort und beginnen Sie mit der Stimulation.

Durchführung von 45 Stimulationszügen mit den zuvor definierten Parametern bei zwei Sekunden pro Zug. Bei 28-Sekunden-Pausen sollte die gesamte Stimulationszeit 23 Minuten betragen. Unmittelbar nach der TMS sicherstellen, dass der Proband so schnell wie möglich zurück auf die Scannerliege gebracht wird, und mit der abschließenden funktionellen Bildgebungssitzung beginnen, um transiente Offline-TMS-Effekte zu erfassen. Die Anzahl und Dauer der Lokalisierungs-Scans auf ein absolutes Minimum reduzieren, damit die funktionellen Durchläufe initiiert werden können. Schnell dieselben Bildgebungsparameter wie bei den Anfangsscans verwenden, bestehend aus drei sechsminütigen Durchläufen mit passiver Fixation unter Verwendung desselben Fixationsparadigmas.

Nach Abschluss sämtlicher funktioneller Bildgebungen führen Sie eine abschließende hochauflösende anatomische Aufnahme mit denselben Bildgebungsparametern durch, die auch in zuvor durchgeführten Sitzungen verwendet wurden. Helfen Sie Ihrer Versuchsperson abschließend beim Verlassen des Scanners. Stellen Sie sicher, dass Sie alle Bildgebungdaten übertragen und archivieren, und danken Sie Ihrer Versuchsperson für die Teilnahme.

Sobald Daten von mindestens 15 Probanden erfasst wurden, verwenden Sie das von Ihnen gewählte fMRT-Verarbeitungspaket für die Bildnachbearbeitung und anschließende Analyse mit mehreren Probanden. Repräsentative Ergebnisse für eine 20-Hertz-Stimulation des linken unteren Parietalläppchens werden hier gezeigt. Obwohl die 20-Hertz-TMS-Stimulation die lokale Erregbarkeit fördert, zeigt die Daten eine Abnahme der funktionellen Konnektivität innerhalb des Ruhenetzwerks. Bei Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, sich daran zu erinnern, den Probanden unmittelbar nach der Stimulation so schnell wie möglich in den Scanner zu bringen, damit die transitorischen Effekte der rTMS abgebildet werden können.

Wir können auch die TMS-Stimulationsparameter verändern. Beispielsweise können wir die Intensität des TMS-Geräts erhöhen, um zu prüfen, ob die Wirkung auf das Standardnetzwerk parametrisch ist. Wir können außerdem versuchen, eine Theta-Rhythmus-Stimulation anzuwenden.

Schließlich können wir die Wirkungen von TMS untersuchen, indem wir verschiedene Arten von MRT-Designs nach der TMS durchführen, wie beispielsweise Blockdesigns oder ereigniskorrelierte Designs, während einer kognitiven Aufgabe.