Hirnzustandsabhängige Hirnstimulation mit Echtzeit-Elektroenzephalographie-Triggered Transkranial Magnetic Stimulation

Die Methode kombiniert EEG und TMS für die Echtzeit-Hirnzustandabhängige Hirnstimulation. Dadurch können die TMS-Pakete mit einer bestimmten Phase laufender endogener Gehirnschwingungen synchronisiert werden. Die Hirnstimulation ist eine Technik zur Modulation des Gehirns durch Die Synchronisation einzelner TMS-Impulse mit einem spezifischen EEG-definierten Hirnzustand.

Die Wirkung der Stimulation kann optimiert werden. Standard TMS wird bereits zur Behandlung neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen wie Schlaganfall und Depression eingesetzt. EEG-synchronisiertes TMS hat das Potenzial, die Behandlungsergebnisse mit personalisierten Stimulationsprotokollen zu verbessern.

Wir verwenden auch EEG-synchronisiertes TMS, um die grundlegende Neurophysiologie der Gehirnschwingungen im Menschen zu untersuchen, indem wir die Effekte vergleichen, die Reize haben, die identisch sind, aber während verschiedener Hirnzustände angewendet werden. Die Effekte können subtil sein und werden leicht von anderen Quellen der experimentellen Variabilität ausgewaschen. Wir fanden heraus, dass eine niedrige Stimulusintensität am besten funktioniert, um die Wirkung des sensorischen motorischen Rhythmus auf die kortikale Wirbelsäulenerregbarkeit zu beobachten.

Zur Durchführung eines Closed-Loop-Experiments wird die Hirnaktivität durch EEG-Potenziale von der Kopfhautoberfläche aufgezeichnet, die von einem EEG-Verstärker digitalisiert werden. Das Signal geht dann an die EEG-Haupteinheit und von dort an das Echtzeitgerät, das den Stimulator steuert, wodurch die Signalschleife zwischen Messung und Modulation der Gehirnaktivität geschlossen wird. Das Echtzeitgerät analysiert die EEG-Schwingungen und sendet ein Triggersignal an den TMS-Stimulator, wenn eine vorgegebene Triggerbedingung erfüllt ist, um einen kurzen Stromimpuls durch die TMS-Spule zu leiten, die auf dem Kopf platziert wird.

Während des Experiments wird die Position der Spule auf dem Kopf mit einem Neuronavigationsgerät überwacht. Schließen Sie den Echtzeitausgang des EEG-Systems an den Echtzeit-Geräteeingang an und verbinden Sie den Ausgang des Echtzeitgeräts mit dem Triggereingang des TMS-Stimulaators. Registrieren Sie den Studienteilnehmer im System, um sicherzustellen, dass das Protokoll dem Layout der EEG-Kappe entspricht und dass die entsprechenden Kanäle an die Echtzeitausgabe gesendet werden.

Auf dem Computer, der das Echtzeitgerät steuert, laden Sie die Software, um das Echtzeitgerät zu steuern und sicherzustellen, dass die Echtzeit-Eingabekanäle mit der Konfiguration des EEG-Systems übereinstimmen. Schalten Sie dann den TMS-Stimulator ein und stellen Sie die Konfiguration auf externe auslösungsweite an. Um die Spulenposition zu überwachen und ein genaues und konsistentes TMS-Targeting innerhalb und über Sitzungen hinweg zu erreichen, laden Sie die einzelnen strukturellen MRT-Daten in die Navigationssystemsoftware, bevor sie für jeden Teilnehmer mit dem Experiment beginnen.

Befestigen Sie dann einen Spulentracker an der Stimulationsspule und kalibrieren Sie die Spule. Wenn das System fertig ist, legen Sie eine entsprechend dimensionierte EEG-Kappe auf den Kopf des Studienteilnehmers und verwenden Sie Dasmam, um die Kappe richtig zu positionieren. Schieben Sie das Haar zur Seite, so dass die Kopfhaut sichtbar ist und bereiten Sie die Kopfhaut mit einer abrasiven Gelanwendung vor.

Als nächstes leitendes Gel auf die Elektroden auftragen und überprüfen, ob die EEG-Elektrodenimpedanzen unter fünf Kiloohm liegen. Bedecken Sie die EEG-Kappe mit Plastikfolie und passen Sie eine Netzkappe über der Kunststofffolie an, um die Kabel in einer festen Position zu halten, um die Variabilität des EEG-Artefakts zu reduzieren. Tragen Sie dann Klebeband auf, um die Stabilität der mehreren Schichten zu erhöhen, und bedecken Sie einen reflektierenden Headtracker auf den Kopf des Motivs, um die Stabilität während des gesamten Experiments zu gewährleisten.

Befestigen Sie die Oberfläche EMG-Elektroden an den gereinigten und abgeriebenen Zielmuskeln und inspizieren Sie die laufenden EEG- und EMG-Signale visuell auf schlechte Elektroden. Halten Sie die bipolaren EMG-Kabel dicht beieinander und nah am Körper des Studienteilnehmers, um die Aufnahme von Leitungsgeräuschen zu reduzieren. Verwenden Sie dann das Zeigerwerkzeug, um das Kopfmodell mit den relevanten anatomischen Landmarken zu registrieren und die EEG-Sensorpositionen zu lokalisieren, um die nachfolgende Abschätzung der einzelnen Quellen der EEG-Aktivität zu ermöglichen.

Um ein EEG-synchronisiertes TMS-Experiment in Echtzeit durchzuführen, bestimmen Sie zunächst den genauen Ort, an dem das TMS des Motorkortex die stärkste motorische Reaktion der Handmuskeln hervorruft. Markieren Sie dann diesen Hotspot und diese Spulenposition in der Neuronavigationssoftware. Als nächstes den Kopf des Motivs mit einem Vakuumkissen fixieren und die Spule in der Hotspot-Position mit einem mechanischen Arm fixieren.

Um die Schwellenstimulationsintensität zu bestimmen, passen Sie die Stimulationsintensität schrittweise an, bis 50 % der TMS-Impulse zu einer motorischen Reaktion führen. Hier wurde die Intensität auf 110% der Schwellenintensität eingestellt. Um das Echtzeitsystem so zu konfigurieren, dass mehrere EEG-Kanäle kombiniert werden, um eine bestimmte Schwingung zu extrahieren, verwenden Sie einen fünfkanaligen laplacischen Spacial-Filter, der auf der Elektrode C3 zentriert ist, um sensorischen Motorrhythmus zu extrahieren.

Um TMS entweder an der positiven oder negativen Spitze dieser Schwingung auszulösen, stellen Sie die Phase-Trigger-Bedingung auf Phase Null oder Phase pi zufällig für jede Studie ein, bevor Sie das Echtzeitgerät bewaffnen und die Sequenz alle zwei Sekunden auf einer Schleife wiederholen. Führen Sie dann das Experiment etwa 10 Minuten durch, um eine ausreichende Anzahl von Studien zu erhalten, um phasenspezifische Stimulationseffekte zu unterscheiden. Während des Experiments wird die Spulenposition auf dem Neuronavigationssystem überwacht und die EEG- und EMG-Signale auf dem EEG-System überwacht.

Die Rohdaten sowie das Vorstimulus-EEG und die Post-Stimulus-Muskelreaktion für jede Erkrankung werden ebenfalls im EEG-System angezeigt. Das Echtzeitgerät führt räumliche Filterung durch, um die von Interesse entfernte Hirnregion und die Bandpassfilterung zu zielen, um die Schwingung von Interesse zu isolieren, und schätzt die momentane Amplitude und Phase mit autoregressiver Vorwärtsvorhersage und der Hilbert-Transformation ab. Dieses Signal wird dann mit der Triggerbedingung verglichen.

Wenn die Leistungsschwelle und die Phasenbedingungen erfüllt sind, wird der Stimulator ausgelöst. Anhand der angezeigten Online-Laufdurchschnitte können die Genauigkeit des Phasen-Targetings und die Auswirkungen der Phase auf die Muskelreaktion während des Experiments geschätzt werden. In diesen Zahlen wird ein durchschnittliches EEG-Signal vor dem Stimulus in den 400 Millisekunden vor dem TMS-Impuls für drei vordefinierte Bedingungen und durchschnittlich eitel motorisch evozierte Potentiale angezeigt, die von den rechten Muskeln aufgezeichnet wurden.

Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass die negative EEG-Ablenkung des Mikrorhythmus einem höheren kortikalen Erregbarkeitszustand entspricht, der zu größeren motorisch evozierten Potentialamplituden führt, verglichen mit der positiven EEG-Ablenkung mit einer geringen intertrialen Variabilität der festgestellten Corticospinal-Erregbarkeitseffekte. Wir brauchen ein stabiles und sauberes EEG-Signal. Der Schlüssel ist ein gut vorbereiteter Studienteilnehmer, der entspannt, komfortabel und still sitzen kann.

Dies ist eine einfach zu bedienende Plug-and-Play-Methode, um zu untersuchen, ob groß angelegte kortikale Konnektivitätszustände kausale Effekte in Störungsexperimenten haben. Betrachtet man eine lokalisierte Schwingung, das ist nur der erste Schritt. Wir konnten Erkenntnisse aus dieser Technik verwenden, um zu zeigen, dass sich wiederholende TMS einen negativen Höhepunkt der laufenden sensorischen motorischen Schwingungen ergebnisse und langfristige Potenzierung wie Plastizität haben.

TMS ist ein sicheres und schmerzloses Verfahren. Eine sehr seltene Nebenwirkung ist ein epileptischer Anfall bei gefährdeten Personen und gelegentlich leichte vorübergehende Kopfschmerzen können auftreten.