Ein Multimodal Imaging- und Stimulations-basierte Verfahren zur Bewertung der Connectivity-bezogenen Erregbarkeit des Gehirns bei Patienten mit Epilepsie
November 13th, 2016
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.
Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, die regionale kortikale Übererregbarkeit bei Patienten mit Epilepsie mittels funktioneller Konnektivität im Ruhezustand, MRT-gesteuerter, transkranieller Magnetstimulation in Kombination mit gleichzeitiger EEG-Aufzeichnung zu bewerten. Diese Methode kann helfen, Schlüsselfragen auf dem Gebiet der Epilepsie und Neurophysiologie zu beantworten, z. B. ob Patienten mit Epilepsie Hinweise auf eine Übererregbarkeit in Regionen aufweisen, von denen angenommen wird, dass sie Teil des epileptogenen Netzwerks sind. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie zur Beurteilung von Unterschieden in der zerebralen Erregbarkeit als Funktion der Konnektivität und zur Beurteilung der kortikalen Reaktivität in einer Vielzahl verschiedener Gehirnregionen verwendet werden kann.
Diese Technik hat Auswirkungen auf die Diagnose und Behandlung von Epilepsie, da kortikale Übererregbarkeit auch bei normalem Routine-EEG identifiziert werden kann und epileptogene Schaltkreise therapeutisch anvisiert werden können. Tamara Gedankian, eine wissenschaftliche Mitarbeiterin in meinem Labor, wird das Verfahren vorführen. Bestimmen Sie vor dem Test die beiden TMS-Zielregionen, indem Sie die funktionelle Konnektivitätskarte jedes Probanden mit dem Strukturbild jedes Probanden überlagern.
Um die Experimentiersitzung zu beginnen, bringen Sie die Probanden in den Testraum und lassen Sie sie auf dem Stuhl sitzen. Messen Sie den Kopf des Probanden und wählen Sie eine Elektroenzephalographie- oder EEG-Kappe in geeigneter Größe, um niedrige Elektrodenimpedanzen zu ermöglichen. Reinigen Sie anschließend die Haut unter jeder Elektrode gründlich mit einem Wattestäbchen-Applikator und Alkohol.
Fügen Sie jeder Elektrode leitfähiges Gel hinzu und drücken Sie auf die Elektrode, um einen guten Kontakt zwischen Kopfhaut, Gel und Elektrode zu gewährleisten. Um Ladeartefakte zu minimieren, stellen Sie sicher, dass sich das Gel nicht außerhalb des Elektrodenhalters ausbreitet. Platzieren Sie die Referenz- und Masseelektroden auf der Stirn und so weit wie möglich von der Stimulationsspule entfernt, um die Möglichkeit zu minimieren, dass ein TMS-induziertes Elektrodenartefakt die gesamte Aufnahme verunreinigt.
Platzieren Sie diese Elektroden in einem Abstand von wenigen Zentimetern zueinander, um Gleichtaktrauschen zu minimieren. Drücken Sie dann die Taste "Impedanzen messen" am EEG-System. Überprüfen Sie die Elektrodenimpedanzen, indem Sie die EEG-Ausgangskabel in die Impedanzbuchse des EEG-Aufzeichnungssystems stecken.
Stellen Sie sicher, dass die Elektrodenimpedanz nicht größer als fünf Kilometer ist. Bereiten Sie als nächstes die Elektromyographie-Elektroden an der kontralateralen Hand vor. Geben Sie dem Betroffenen Ohrstöpsel, um das Risiko von Hörverlust und Tinnitus zu minimieren.
Platzieren Sie dann 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. Registrieren Sie den Kopf des Probanden mit den MRT-Bildern, indem Sie die Position der vorausgewählten, externen anatomischen Referenzmarker auf dem Probanden mit dem Zeiger identifizieren, der dem Neuronavigationsgerät beiliegt. Machen Sie das Subjekt mit der Stimulation vertraut, indem Sie an einer anderen Stelle einen Impuls anlegen oder indem Sie einen Stimulationsimpuls mit geringer Intensität auf die Kopfhaut anwenden.
Bestimmen Sie die motorische Ruheschwelle, indem Sie den motorischen Kortex des Probanden auf der Hemisphäre ipsilateral zu den Zielen der funktionellen Konnektivitätsbasis lokalisieren. Winkeln Sie die Spule senkrecht zum Gyrus an, wobei der Griff okzipital zeigt, und beginnen Sie die Stimulation mit einer Intensität, die voraussichtlich unterhalb des Schwellenwerts liegt. Erhöhen Sie dann die Stimulationsintensität in Schritten von 5 % max. Stimulatorleistung, bis TMS in jedem Versuch konsistent motorisch evozierte Potentiale mit Amplituden von mehr als 50 Mikrovolt hervorruft.
Verringern Sie die Stimulationsintensität in Schritten von 1 %max. Stimulatorleistung, bis weniger als fünf von 10 positiven Reaktionen aufgezeichnet werden. Stellen Sie abschließend die TMS-Intensität auf den gewünschten Wert ein. Wenden Sie mit der Neuronavigationssoftware einzelne TMS-Impulse auf jede der Zielregionen an, mit variablen Intervallen zwischen den Impulsen, um die kortikale Plastizität und die Auswirkungen auf die Erwartungen der Probanden zu minimieren.
Beginnen Sie mit einer ersten Runde einer unabhängigen Komponentenanalyse (ICA) und entfernen Sie die ein bis zwei Komponenten, die die große TMS-induzierte, anfängliche Muskelaktivierung darstellen. Führen Sie dazu ICA mit der schnellen ICA-Methode mit dem symmetrischen Ansatz und der 10-Kontrast-Funktion mit dem hier gezeigten Befehl aus. Identifizieren Sie Komponenten, die mit dem TMS-Artefakt konsistent sind, indem Sie Extras, Daten mit ICA ablehnen und Komponenten durch Karte entfernen auswählen, wodurch topografische Karten aller ICA-Komponenten dargestellt werden.
Klicken Sie dann auf die Zahl für jede Komponente, um die Komponentendetails darzustellen. Löschen Sie als Nächstes die künstlichen Komponenten, indem Sie Werkzeuge, Komponenten entfernen auswählen und die relevanten Komponentennummern in das Feld für Komponente(n) eingeben, die aus den Daten entfernt werden sollen. Drücken Sie in dem sich öffnenden Bestätigungsfenster auf ERPs plotten, um die ereignisbezogenen Potenziale (ERPs) zu überprüfen, die sich aus dem Löschen der ausgewählten Komponenten ergeben.
Um die Auswirkungen einzelner Studien zu überprüfen, drücken Sie auf Plot single trials. Nachdem Sie das ERP überprüft haben, klicken Sie wie bei Einzelversuchen auf die Schaltfläche Akzeptieren, um die ausgewählten Komponenten zu löschen. Führen Sie eine zweite ICA-Runde durch und entfernen Sie Komponenten, die Artefakten wie Zerfall, Blinzeln, Muskel- und Elektrodenrauschen entsprechen.
Führen Sie dazu ICA mit der schnellen ICA-Methode mit dem symmetrischen Ansatz und der Tan-Kontrast-Funktion aus, genau wie bei der ersten ICA-Runde. Bewerten Sie auch die Komponenteneigenschaften, genau wie bei der topografischen Karte in der ersten ICA-Runde. Markieren Sie dann Komponenten, die mit verbleibenden TMS-Zerfallsartefakten, Blinzelartefakten und Muskelartefakten übereinstimmen.
Markieren Sie außerdem Komponenten, die mit dem Kanalrauschen auf der Grundlage der räumlichen und zeitlichen Verteilung konsistent sind. Entfernen Sie abschließend markierte Komponenten, genau wie in der ersten ICA-Runde, indem Sie Extras, Komponenten entfernen auswählen und die relevanten Komponentennummern in das Feld für Komponente(n) eingeben, die aus den Daten entfernt werden sollen. Die funktionelle Konnektivität im Ruhezustand Die MRT wird verwendet, um Regionen auf der kortikalen Oberfläche zu identifizieren, die mit den Regionen der Heterotopie verbunden sind.
Die TMS in diesen Regionen führt zu einer ungewöhnlich erhöhten verzögerten Aktivität im Vergleich zu Regionen, die keine abnormale Konnektivität aufweisen, und relativ zu den gleichen Anblicken bei gesunden Kontrollen. Hier kann die Lokalisierung der abnormalen späten Spitzen in den TMS-evozierten Potentialen bei Patienten mit Epilepsie die Hirnregionen identifizieren, aus denen die abnormale Aktivität entsteht. Er kann räumlich mit dem Anfallsfokus des Patienten kolokalisieren.
Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie die funktionelle Konnektivität im Ruhezustand, das MRT-gesteuerte TMS-EEG zur Beurteilung der Erregbarkeit des Gehirns in verschiedenen Regionen bei Patienten mit Epilepsie und anderen neuropsychiatrischen Erkrankungen verwenden können. Im Anschluss an dieses Verfahren können andere Methoden, wie z. B. die repetitive TMS, durchgeführt werden, um festzustellen, ob eine Verringerung der kortikalen Erregbarkeit in Gehirnregionen, die Teil des pathogenen Netzwerks sind, die Krankheitsaktivität verändern kann.
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Überblick
Diese Studie bewertet die regionale kortikale Hypererregbarkeit bei Epilepsiepatienten unter Verwendung der funktionellen Konnektivität im Ruhezustand und der MRT-geführten transkraniellen Magnetstimulation (TMS) in Kombination mit EEG. Der Ansatz zielt darauf ab, Hypererregbarkeit in Bereichen des Gehirns zu identifizieren, die mit dem epileptogenen Netzwerk assoziiert sind.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Neurowissenschaften
- Neurophysiologie
- Epilepsieforschung
Hintergrund
- MRT der funktionellen Konnektivität im Ruhezustand zeigt Anomalien bei neuropsychiatrischen Störungen.
- Patienten mit Epilepsie weisen oft eine kortikale Hypererregbarkeit auf.
- Transkranielle Magnetstimulation kann die kortikale Reaktivität beurteilen.
- Die Identifizierung von Hypererregbarkeit kann Diagnose- und Behandlungsstrategien verbessern.
Zweck der Studie
- Um die kortikale Hypererregbarkeit bei Epilepsiepatienten zu bewerten.
- Um festzustellen, ob Hypererregbarkeit mit abnormaler Konnektivität korreliert.
- Um die Implikationen für die therapeutische Zielerfassung epileptogener Schaltkreise zu untersuchen.
Verwendete Methoden
- Analyse der funktionellen Konnektivität im Ruhezustand.
- MRT-geführte transkranielle Magnetstimulation.
- Gleichzeitige EEG-Aufzeichnung.
- Überlagerung funktioneller Konnektivitätskarten auf strukturelle Bilder.
Hauptergebnisse
- Beweis für kortikale Hypererregbarkeit in spezifischen Hirnregionen.
- Identifizierung von Unterschieden in der zerebralen Erregbarkeit basierend auf der Konnektivität.
- Potenzial für die therapeutische Zielerfassung epileptogener Schaltkreise.
- Die Ergebnisse können das Verständnis der Epilepsie-Mechanismen verbessern.
Schlussfolgerungen
- Kortikale Hypererregbarkeit kann selbst bei normalem Routine-EEG nachgewiesen werden.
- Diese Methode bietet Einblicke in das epileptogene Netzwerk.
- Die Ergebnisse unterstützen die Verwendung von TMS und EEG in der Epilepsie-Diagnose und -Behandlung.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
This multimodal imaging and stimulation method enables biopharma R&D to assess cortical hyperexcitability in epilepsy models, supporting target validation by linking functional connectivity abnormalities to electrophysiological phenotypes. It provides a mechanistic de-risking tool for evaluating circuit-level excitability changes in preclinical and translational studies, particularly for neuropsychiatric indications where network hyperexcitability is a putative driver of disease. The approach enhances predictive confidence in target selection by demonstrating causal relevance of connectivity alterations to pathophysiological states.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses by testing whether regions with abnormal resting-state connectivity exhibit causal hyperexcitability via TMS-EEG perturbation.
- Operational Value: Enables biological de-risking of targets by establishing whether connectivity changes correlate with measurable electrophysiological dysfunction in disease-relevant systems.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems with quantified TMS-evoked EEG responses as a standardized assay for screening compounds that modulate cortical excitability.
- Operational Value: Supports assay reproducibility through MRI-guided targeting and ICA-based artifact removal, enabling reliable longitudinal or cross-condition comparisons.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrates disease relevance by showing that abnormal TMS-evoked activity co-localizes with seizure-onset zones, supporting continuity from connectivity biomarkers to pathophysiological circuits.
- Operational Value: Facilitates risk-adjusted advancement decisions by providing a translatable readout of circuit hyperexcitability that can be monitored across discovery to preclinical stages.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum by first identifying aberrant networks via rs-fcMRI, then probing their causal excitability using TMS-EEG, and finally validating target engagement through normalization of abnormal late components in evoked potentials.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by determining whether functionally connected regions exhibit pathogenic hyperexcitability, clarifying network-level mechanisms in epilepsy models.
- Screening: Enables assay readiness through standardized TMS pulse application and ERP quantification, allowing assessment of compound effects on cortical reactivity.
- Analytics: Generates quantitative dependent variable measurements (e.g., latency and amplitude of late TMS-evoked potential components) that enable statistical comparison between disease and control states.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by demonstrating spatial colocalization of abnormal TMS-evoked activity with epileptogenic zones, supporting biomarker-aligned target validation.
- Enterprise Reuse: Represents a reusable platform for probing circuit excitability across neuropsychiatric indications, not limited to single-use experimental validation.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Provides predictive confidence in target validation by linking connectivity abnormalities to causal electrophysiological phenotypes, reducing mechanistic ambiguity in neuropsychiatric target selection.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility through neuronavigation-guided TMS, fixed inter-pulse intervals, and multi-stage ICA artifact correction.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by enabling early detection of circuit hyperexcitability, even when routine EEG is normal, thereby reducing late-stage biological risk in CNS programs.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by identifying targets whose modulation normalizes pathological excitability, informing capital allocation toward mechanistically de-risked candidates.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neurophysiology, TMS safety protocols, EEG acquisition, and multimodal image coregistration.
- Depends on neuronavigation systems, TMS coils compatible with simultaneous EEG, and high-density EEG caps to minimize artifacts.
- Necessitates cross-team standardization between imaging, stimulation, and electrophysiology teams to ensure consistent target selection and data interpretation.
- Involves adaptation considerations when applying to different model systems, as head size, coil positioning, and ICA parameters may require optimization across species or strain.
- Includes practical limitations such as susceptibility to movement artifacts, inter-individual variability in skull conductivity, and the need for careful subject screening to exclude contraindications to TMS.
