Transkranielle Magnetstimulation zur Untersuchung Kausal Brain-Verhaltens-Beziehungen und deren Zeitverlauf

Das übergeordnete Ziel des folgenden Verfahrens besteht darin, kausale Zusammenhänge zwischen Gehirn und Verhalten zu untersuchen. Der erste Schritt besteht darin, das TMS-Experiment vorzubereiten, indem die Stimulationsparameter, Aufgaben und die Lokalisierungsmethode ausgewählt werden. Der zweite Schritt ist die Lokalisierung der Stimulationsstelle, die individuell angepasst wird, um sicherzustellen, dass die korrekte Gehirnregion gezielt wird.

Der nächste Schritt besteht darin, das Haupt-TMS-Experiment unter Verwendung eines virtuellen Läsions- oder chronometrischen Ansatzes durchzuführen, um zu prüfen, ob die Stimulation die Aufgabenleistung beeinflusst. Ergebnisse, die einen Effekt der TMS auf Verhaltensmaße zeigen, typischerweise in Form verlängerter Reaktionszeiten im Vergleich zur Leistung unter Kontrollbedingungen, deuten darauf hin, dass die postulierte Hirnregion eine notwendige Komponente der normalen Aufgabenleistung darstellt. Der Hauptvorteil der TMS gegenüber neurobildgebenden Verfahren liegt darin, dass sie die Möglichkeit bietet, neuronale Informationsverarbeitung vorübergehend zu stören und die Auswirkungen auf das Verhalten zu messen.

Mit anderen Worten bietet es mehr als nur eine einfache Korrelation und ermöglicht es, kausale Schlussfolgerungen zwischen Gehirn und Verhalten zu ziehen. Außerdem bietet TMS Vorteile gegenüber traditionelleren kausalen Methoden, wie beispielsweise der Patientenforschung, da es einen nichtinvasiven alternativen Ansatz bereitstellt, mit dem virtuelle Läsionen erzeugt werden können, die vorübergehend, reversibel und räumlich präziser sind. Personen, die neu in dieser Methodik sind, können Schwierigkeiten haben, da eine große Anzahl freier Parameter festgelegt werden muss, um ein Experiment erfolgreich durchzuführen. Dazu gehören beispielsweise die Dauer und Intensität der Stimulation, die Art und Weise, wie die Stimulationsstellen lokalisiert werden, und sogar scheinbar weniger bedeutende Aspekte wie die Ausrichtung der eigentlichen Spule.

Daher ist normalerweise eine umfangreiche Vorversuchsdurchführung erforderlich, um zu bestimmen, welche Parameter für Ihr spezielles Experiment geeignet sind. Erhalten Sie vor der TMS-Sitzung eine hochauflösende T1-gewichtete MRT-Aufnahme des Teilnehmers. Schließen Sie dabei die Referenzpunkte für das rahmenlose stereotaktische System ein: die Nasenspitze, den Nasenrücken und die Kerbe oberhalb des Tragus jedes Ohres.

Laden Sie die Aufnahme in ein rahmenloses, stereotaktisches Taxii-System ein und markieren Sie die Referenzpunkte und die Stimulationsstellen auf dem Bild des Teilnehmers. Halten Sie die Stimulationsstellen zu Beginn der TMS-Sitzung mindestens 10 Millimeter voneinander entfernt. Erklären Sie zunächst dem Teilnehmer die experimentellen Abläufe, damit dieser eine informierte Einwilligung geben kann.

Zweitens bitten Sie den Teilnehmer, einen vom Institutional Review Board genehmigten TMS-Sicherheits-Fragebogen auszufüllen, um sicherzustellen, dass eine TMS-Behandlung bei ihm durchgeführt werden darf. Dauerhafte Kontraindikationen für eine TMS umfassen eine familiäre oder persönliche Anfallsanamnese, eine klinische Diagnose einer psychiatrischen oder neurologischen Erkrankung oder jegliche Art von implantiertem medizinischem Gerät wie ein Cochlea-Implantat oder ein Herzschrittmacher. Die Nichteinhaltung der TMS-Sicherheitsrichtlinien setzt den Teilnehmer dem Risiko eines Anfalls oder einer Beschädigung des implantierten medizinischen Geräts aus. Sobald die Befragung abgeschlossen ist, befestigen Sie den Kopftracker am Kopf des Teilnehmers.

Danach unter Verwendung des Trackers als Referenz jeden Referenzpunkt am Kopf des Probanden mit einem mitgelieferten Zeigegerät des Stereotaxie-Systems berühren. Die entsprechenden Koordinaten speichern, um den Kopf des Probanden mit dem MRT-Bild zu kalibrieren. Überprüfen Sie unbedingt die Qualität der Registrierung und wiederholen Sie den Vorgang bei Bedarf.

Jetzt ist auch ein guter Zeitpunkt, den Teilnehmer zu bitten, Ohrstöpsel einzusetzen. Anschließend richten Sie die TMS-Ausrüstung gemäß dem Protokoll ein. In diesem Beispiel wird eine standardmäßige biphasische Stimulation in Verbindung mit einer Spule in Form einer Acht verwendet.

Die hier gewählte Stimulationsfrequenz beträgt 10 Hertz und ist auf eine Dauer von 500 Millisekunden eingestellt, was eine übliche Wahl darstellt. Die gewählte Intensität beträgt 55 % der maximalen Ausgangsleistung des Stimulators. Typischerweise liegt die geeignete Leistung zwischen 50 und 70 % des Maximums.

Stellen Sie nun dem Teilnehmer die Stimulation vor, bevor Sie das Experiment durchführen. Demonstrieren Sie sie zuerst am Arm des Forschers. Danach am Arm des Teilnehmers. Anschließend demonstrieren Sie die Stimulation an jeder Teststelle.

Die Spule sollte tangential zur Kopfhaut ausgerichtet sein, sodass die Linie des maximalen magnetischen Flusses die stimulierte Stelle schneidet. Überwachen Sie die Position der Spule während des gesamten Experiments. In einigen Fällen kann dies zu Unbehagen führen, das durch eine Anpassung der Spulenausrichtung verringert werden kann.

Wenn der Teilnehmer die Stimulation nicht verträgt, muss die Untersuchung abgebrochen werden. Dies ist jedoch nicht häufig der Fall. Verwenden Sie eine Lokalisierungsaufgabe, die die gewünschte kognitive Funktion anspricht und ein messbares Verhalten wie Reaktion, Zeit, Genauigkeit oder Augenbewegungen beinhaltet.

Erstellen Sie mehrere Versionen der Aufgabe, um Wiederholungen der Stimuli in der ersten Übungssitzung zu vermeiden. Lassen Sie den Teilnehmer die Aufgabe zunächst ohne Stimulation üben. In der nächsten Übungssitzung führen Sie TMS pseudorandom in 50 % der Durchgänge ein, nachdem die Übungssitzungen abgeschlossen sind.

Führen Sie die Lokalisierungsaufgabe an der ersten Stimulationsstelle durch. Überprüfen Sie unmittelbar, ob die TMS die Leistung des Teilnehmers beeinträchtigt hat, beispielsweise durch längere Reaktionszeiten im Vergleich zur Bedingung ohne TMS. Wählen Sie Stellen, an denen die TMS einen konsistenten, angemessenen und stellenspezifischen Effekt hervorruft.

Manchmal kann ein falscher Stimulationsort im Vergleich zu keiner Stimulation tatsächlich aufgrund intersensorischer Facilitation die Antworten erleichtern. Außerdem sind große TMS-Effekte meist artefaktuell und erfordern eine erneute Überprüfung. Testen Sie mehrere Stimulationsstellen in derselben Sitzung direkt nacheinander.

Stellen Sie sicher, dass die Reihenfolge der Stimulationsstellen über die Teilnehmer hinweg nach der Lokalisation ausgeglichen wird, und führen Sie innerhalb derselben Sitzung das Hauptexperiment unter Verwendung der funktionell lokalisierten Stimulationsstelle durch. Verwenden Sie eine andere Aufgabe als diejenige, die für die Lokalisation verwendet wurde, jedoch eine Aufgabe, die den entscheidenden interessierenden Prozess gemeinsam hat. Zum Beispiel eine Reimbeurteilungsaufgabe für die Lokalisation und eine Homophonbeurteilungsaufgabe für das Hauptexperiment.

Beide hier beschriebenen Aufgaben erfordern die phonologische Verarbeitung geschriebener Wörter, wobei sich die spezifischen Aufgabenanforderungen und Reize unterscheiden, um die funktionelle Spezifität der Teststelle zu demonstrieren, einschließlich einer Aufgabe, die den betreffenden Prozess nicht beinhaltet. Testen Sie außerdem eine Kontrollstelle, um die anatomische Spezifität des Effekts nachzuweisen. Führen Sie nun entweder ein traditionelles virtuelles Läsionsexperiment unter Verwendung der gleichen TMS-Parameter wie während der Lokalisation durch oder ein chronometrisches TMS-Experiment, bei dem die während der Lokalisation verwendete Impulsfolge durch einen einzelnen oder doppelten Impuls ersetzt wird, der zu verschiedenen Zeitpunkten appliziert wird.

Diese Untersuchung prüfte, ob der linke supramarginale Gyrus kausal an der Verarbeitung der Laute von Wörtern beteiligt ist. Fünf Pulse repetitiver TMS mit 10 Hz und 55 % maximaler Intensität wurden an den supramarginalen Gyrus appliziert. Während dreier Aufgaben, jeweils mit 100 Durchgängen, lenkte eine phonologische Aufgabe die Aufmerksamkeit auf die Laute der Wörter.

Versuche mit TMS weisen signifikant längere Reaktionszeiten auf als Versuche ohne TMS, was darauf hinweist, dass die TMS die phonologische Verarbeitung einer semantischen Kontrollaufgabe, die auf die Bedeutung von Wörtern ausgerichtet ist, beeinträchtigt hat. Versuche mit TMS unterscheiden sich nicht signifikant von Versuchen ohne TMS, was darauf hindeutet, dass die TMS die semantische Verarbeitung nicht signifikant gestört hat. Die TMS-Stimulation des supramarginalen Gyrus beeinträchtigte selektiv die phonologische, jedoch nicht die semantische Verarbeitung.

Eine zusätzliche Kontrollaufgabe präsentierte Paare von Konsonantenbuchstabenfolgen und stellte die Frage, ob sie identisch waren. Auch hier beeinflusste TMS die Leistung bei dieser Kontrollaufgabe insgesamt nicht. Die Stimulation des linken SMG störte selektiv die Verarbeitung der Laute von Wörtern.

Danach wurde die zeitliche Dynamik der Beteiligung des Gyrus supramarginalis an der phonologischen Verarbeitung mithilfe derselben Aufgabe untersucht. Doppelimpulse der TMS wurden in fünf verschiedenen Zeitfenstern nach Stimulusbeginn appliziert. Im Vergleich zur Basalbedingung zeigte sich eine signifikante Zunahme der Reaktionszeiten, wenn die TMS in den drei späteren Zeitfenstern appliziert wurde.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Beteiligung des linken Schläfenlappens an der phonologischen Verarbeitung früh beginnt und etwa 100 Millisekunden anhält. Es ist sehr wichtig zu beachten, dass TMS-Protokolle eine große Anzahl freier Parameter aufweisen und die Wahl der optimalen Parameter entscheidend ist, um robuste Effekte zu erzielen. Daher erfordert jedes TMS-Experiment eine umfangreiche Pilotierung.

Wenn alle Parameter ausgewählt sind, dauert ein TMS-Experiment in der Regel etwa eine Stunde. Dies hängt jedoch natürlich davon ab, wie lange es dauert, bis sich die Versuchsperson mit TMS vertraut gemacht hat, sowie davon, wie lange es benötigt, um eine TMS-Stelle erfolgreich zu lokalisieren. Vor allem müssen bei der Planung eines TMS-Experiments stets Sicherheitsaspekte berücksichtigt werden.

Und dies hat wichtige Auswirkungen auf Dinge wie die Anzahl der Versuche, denen ein Teilnehmer ausgesetzt ist, die Anzahl der Bedingungen, die Sie testen können, und die Anzahl der Stellen, die Sie an einem Tag untersuchen können.