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

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments besteht darin, regionale kortikale Hypererregbarkeit bei Patienten mit Epilepsie mithilfe der funktionellen Konnektivität im Ruhezustand, MRI-gesteuerter transkranieller Magnetstimulation und gleichzeitiger EEG-Aufzeichnung zu bewerten. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Bereich der Epilepsie und der Neurophysiologie zu beantworten, beispielsweise, ob bei Patienten mit Epilepsie Hinweise auf Hypererregbarkeit in Regionen vorliegen, die als Teil des epileptogenen Netzwerks angesehen werden. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass sie zur Beurteilung von Unterschieden in der zerebralen Erregbarkeit in Abhängigkeit von der Konnektivität genutzt werden kann und es ermöglicht, die kortikale Reaktivität in einer Vielzahl unterschiedlicher Hirnregionen zu untersuchen.

Diese Technik hat Auswirkungen auf die Diagnose und Behandlung von Epilepsie, da eine kortikale Hypererregbarkeit selbst dann nachgewiesen werden kann, wenn das routinemäßige EEG normal ist, und epileptogene Schaltkreise gezielt therapeutisch angesprochen werden können. Die Durchführung des Verfahrens wird Tamara Gedankian, eine wissenschaftliche Mitarbeiterin in meinem Labor, demonstrieren. Vor der Untersuchung bestimmen Sie die beiden TMS-Zielregionen, indem Sie die funktionelle Konnektivitätskarte jedes Probanden auf das strukturelle Bild desselben Probanden überlagern.

Um die experimentelle Sitzung zu beginnen, bringen Sie die Versuchsperson in den Prüfungsraum und lassen Sie sie auf dem Stuhl Platz nehmen. Messen Sie den Kopf der Versuchsperson und wählen Sie eine Elektroenzephalographie- oder EEG-Kappe passender Größe aus, um niedrige Elektrodenimpedanzen zu ermöglichen. Reinigen Sie anschließend die Haut unter jeder Elektrode gründlich mit einem Wattestäbchen und Alkohol.

Tragen Sie leitfähiges Gel auf jede Elektrode auf und drücken Sie die Elektrode fest, um einen guten Kontakt zwischen Kopfhaut, Gel und Elektrode sicherzustellen. Um Ladeartefakte zu minimieren, stellen Sie sicher, dass sich das Gel nicht außerhalb des Elektrodenhalters ausbreitet. Platzieren Sie die Referenz- und Erdungselektrode auf der Stirn und so weit wie möglich von der Stimulationspule entfernt, um die Möglichkeit eines TMS-bedingten Elektrodenartefakts, der die gesamte Aufzeichnung beeinträchtigen könnte, zu minimieren.

Platzieren Sie diese Elektroden in einem Abstand von wenigen Zentimetern zueinander, um Störungen im Gleichtakt zu minimieren. Drücken Sie anschließend die Schaltfläche zur Impedanzmessung am EEG-System. Überprüfen Sie die Elektrodenimpedanzen, indem Sie die EEG-Ausgabekabel in die Impedanzbuchse des EEG-Aufnahmesystems einstecken.

Stellen Sie sicher, dass die Elektrodenimpedanz nicht größer als fünf Kilohm ist. Bereiten Sie anschließend die Elektromyographie-Elektroden an der kontralateralen Hand vor. Geben Sie dem Probanden Ohrstöpsel, um das Risiko von Hörverlust und Tinnitus zu minimieren.

Bringen Sie dann die Infrarot-Detektoren am Kopf des Probanden an, wobei sichergestellt werden muss, dass die Detektoren so positioniert sind, dass das Risiko einer Bewegung während der experimentellen Sitzung minimiert wird. Registrieren Sie den Kopf des Probanden gemeinsam mit den MRT-Bildern, indem Sie mithilfe des mit der Neuronavigationsausrüstung bereitgestellten Zeigers die Position der zuvor ausgewählten externen anatomischen Referenzmarkierungen am Probanden identifizieren. Gewöhnen Sie den Probanden an die Stimulation, indem Sie einen Impuls an einer anderen Stelle anwenden oder einen schwachen Stimulationsimpuls auf die Kopfhaut geben.

Bestimmen Sie die Ruhe-Motor-Schwelle, indem Sie die motorische Rinde des Probanden in der Hemisphäre ipsilateral zu den funktionalen Konnektivitäts-basierten Zielarealen lokalisieren. Halten Sie die Spule senkrecht zum Gyrus ausgerichtet, wobei der Griff in okzipitale Richtung zeigt, und beginnen Sie mit einer Stimulationsintensität, die voraussichtlich unterhalb der Schwelle liegt. Erhöhen Sie anschließend die Stimulationsintensität in Schritten von 5 % der maximalen Stimulatorleistung, bis die TMS in jedem Durchgang zuverlässig motorisch evozierte Potentiale mit Amplituden über 50 Mikrovolt hervorruft.

Verringern Sie die Stimulationsintensität in Schritten von 1 % der maximalen Stimulatorleistung, bis weniger als fünf positive Antworten von zehn aufgezeichnet werden. Stellen Sie abschließend die TMS-Intensität auf den gewünschten Wert ein. Geben Sie einzelne TMS-Pulse an jede der Zielregionen mittels der Neuronavigationssoftware ab, wobei die Pulsabstände variabel gehalten werden, um kortikale Plastizität und Erwartungseffekte des Probanden zu minimieren.

Beginnen Sie mit einer ersten Runde einer Independent Component Analysis (ICA) und entfernen Sie die ein bis zwei Komponenten, die die starke, durch TMS hervorgerufene initiale Muskelaktivierung darstellen. Führen Sie dazu eine ICA mit der Fast-ICA-Methode unter Verwendung des symmetrischen Ansatzes und der 10-Kontrastfunktion mithilfe des hier gezeigten Befehls durch. Identifizieren Sie Komponenten, die mit dem TMS-Artefakt übereinstimmen, indem Sie Werkzeuge auswählen, Daten mithilfe der ICA verwerfen und Komponenten nach Abbildung entfernen, wodurch topografische Darstellungen aller ICA-Komponenten erstellt werden.

Klicken Sie anschließend auf die Nummer jeder Komponente, um die Details der Komponente darzustellen. Entfernen Sie danach die artefaktbedingten Komponenten, indem Sie Werkzeuge, Komponenten entfernen auswählen und die entsprechenden Komponentennummern in das Feld für zu entfernende Komponente(n) eingeben. Drücken Sie im Bestätigungsfenster, das angezeigt wird, auf ERP-Diagramm anzeigen, um die ereignisbezogenen Potentiale (ERPs) zu überprüfen, die durch das Entfernen der ausgewählten Komponenten entstehen.

Um die Einzeltrialeffekte zu überprüfen, klicken Sie auf „Einzeltrials plotten“. Nach der Überprüfung des ERP, wie bei Einzeltrials, drücken Sie die Schaltfläche „Akzeptieren“, um die ausgewählten Komponenten zu löschen. Führen Sie eine zweite ICA-Runde durch und entfernen Sie Komponenten, die Artefakte durch Drift, Blinken, Muskeln und Elektrodenrauschen entsprechen.

Führen Sie dazu eine ICA mit der Fast-ICA-Methode unter Verwendung des symmetrischen Ansatzes und der Tan-Kontrastfunktion durch, wie bereits in der ersten Runde der ICA durchgeführt. Ebenso sollten die Komponenteneigenschaften genauso ausgewertet werden wie bei der topografischen Karte in der ersten Runde der ICA. Markieren Sie anschließend Komponenten, die mit verbleibenden TMS-Zerfallsartefakten, Blinkartefakten und Muskelartefakten übereinstimmen.

Markieren Sie zusätzlich Komponenten, die aufgrund ihrer räumlichen und zeitlichen Verteilung mit Kanalrauschen übereinstimmen. Entfernen Sie abschließend die markierten Komponenten, wie bereits in der ersten ICA-Runde geschehen, indem Sie Werkzeuge, Komponenten entfernen auswählen und die entsprechenden Komponentennummern im Feld für Komponenten, die aus den Daten entfernt werden sollen, eingeben. Die ruhende funktionelle Konnektivitäts-MRT wird verwendet, um Regionen auf der kortikalen Oberfläche zu identifizieren, die eine Konnektivität zu den Heterotopie-Regionen aufweisen.

TMS in diesen Regionen führt im Vergleich zu Regionen ohne abnormale Konnektivität und zu denselben Stellen bei gesunden Kontrollpersonen zu einer abnorm verlängerten Aktivität. Hier kann die Quelllokalisation der abnormalen späten Ausschläge in den TMS-erzeugten Potentialen bei Patienten mit Epilepsie jene Hirnregionen identifizieren, aus denen die abnorme Aktivität entspringt. Sie kann räumlich mit dem Anfallsfokus des Patienten zusammenfallen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man die funktionelle Konnektivität im Ruhezustand mittels MRT-gesteuerter TMS-EEG untersucht, um die Reizbarkeit des Gehirns in verschiedenen Regionen bei Patienten mit Epilepsie und anderen neuropsychiatrischen Erkrankungen zu bewerten. Im Anschluss an dieses Verfahren können weitere Methoden wie die repetitive TMS angewendet werden, um zu untersuchen, ob eine Verringerung der kortikalen Erregbarkeit in Gehirnregionen, die Teil des pathogenetischen Netzwerks sind, die Krankheitsaktivität beeinflussen kann.