Evaluación de la hiperexcitabilidad cerebral con estimulación magnética transcraneal y electroencefalografía

Resumen

Fuente: Shafi, M. M., et al. Un método multimodal basado en imágenes y estimulación para evaluar la excitabilidad cerebral relacionada con la conectividad en pacientes con epilepsia. J. Vis. Exp. (2016)

El video demuestra el procedimiento para usar la estimulación magnética transcraneal (TMS) y la electroencefalografía (EEG) para evaluar la excitabilidad neuronal en pacientes con epilepsia. Detalla los pasos para alinear la cabeza del paciente con un escáner cerebral pregrabado, colocar la bobina TMS sobre un objetivo cortical conectado funcionalmente y aplicar estimulación para activar los circuitos neuronales. El proceso incluye el seguimiento de las respuestas motoras, el registro de señales de EEG y la comparación de la actividad cerebral con la de los controles sanos para identificar la hiperexcitabilidad y localizar la zona de inicio de las convulsiones.

Protocolo

Todos los procedimientos que involucran participantes humanos se han realizado de conformidad con las pautas institucionales, nacionales e internacionales para el bienestar humano y han sido revisados por la junta de revisión institucional local.

1. Selección de sujetos

1. Selección de pacientes para el protocolo de investigación.
   1. Identificar a los pacientes con epilepsia activa (convulsiones en el último año) o antecedentes de epilepsia remota (convulsiones previas, pero sin convulsiones en los últimos cinco años, ya sea con o sin medicación) y heterotopía nodular periventricular en imágenes cerebrales estructurales.
   2. Excluir pacientes sin antecedentes de convulsiones. Además, excluya a los pacientes con posibles etiologías alternativas para las convulsiones (p. ej., antecedentes de lesión cerebral traumática, accidente cerebrovascular, meningoencefalitis) o con hallazgos de EEG consistentes con un diagnóstico alternativo (p. ej., epilepsia generalizada idiopática, epilepsia del lóbulo temporal mesial).
   3. Excluir a los pacientes con enfermedades neurológicas o psiquiátricas adicionales, o con cualquier otra afección médica inestable. Además, excluya a los pacientes con antecedentes de cirugía cerebral previa, incapacidad para tolerar imágenes por resonancia magnética (IRM), consumo reciente de sustancias ilícitas o alcohol en exceso, o una contraindicación específica de RM o TMS.
2. Selección de sujetos de control saludables.
   1. Para cada paciente con heterotopía nodular periventricular (HPN) (en nuestro estudio publicado anteriormente, 8 pacientes, de 20 a 43 años de edad significan 30,25; 3 hombres, 5 mujeres), identifique un control sano emparejado por edad y sexo.
   2. Excluir sujetos con cualquier enfermedad neurológica o psiquiátrica en curso o con medicamentos psicoactivos, cualquier otra condición médica inestable, antecedentes de cirugía cerebral previa, incapacidad para tolerar la resonancia magnética, el consumo excesivo de sustancias ilícitas o alcohol, o cualquier otra contraindicación específica de resonancia magnética o TMS.

2. Generación de los objetivos de estimulación

1. Usando un sistema de resonancia magnética 3T, adquiera cortes estructurales de todo el cerebro de alta resolución utilizando una secuencia ponderada en T1. Utilice los siguientes parámetros de adquisición: 128 cortes por losa, una matriz de 256 x 256, campo de visión (FOV) 256 mm, espesor de corte 1,33 mm con espacio entre cortes de 0,63 mm, tamaño de vóxel 1 x 1 x 1,33 mm³, tiempo de repetición (TR) 2.530 ms, tiempo de inversión 1.100 ms, tiempo de eco (TE) 3,39 ms, ángulo de giro de 7°.
2. Usando un sistema de resonancia magnética 3T, adquiera imágenes funcionales en estado de reposo utilizando una secuencia ecoplanar sensible al contraste dependiente del nivel de oxigenación de la sangre (BOLD). Mientras realiza esta exploración, indique a los pacientes que descansen en silencio con los ojos abiertos sin realizar ninguna tarea específica. Utilice los siguientes parámetros de adquisición: campo de visión 256 mm, tamaño de vóxel 2,0 x 2,0 x 2,0 mm, TR 6.000 ms, TE 30 mseg, ángulo de giro de 90°, tiempo de adquisición de 6,4 min.
3. Usando el software MRICroN, identifique cada región discreta de heterotopía nodular (ya sea cada nódulo individual o un grupo contiguo inseparable de nódulos). Utilice la herramienta Pluma para delinear manualmente las regiones de interés (ROI) de heterotopía, corte por corte en el plano axial en imágenes estructurales ponderadas T1.
4. Utilice la caja de herramientas del software de conectividad funcional de CONN para realizar cuatro pasos secuenciales en el procesamiento de datos funcionales en estado de reposo: Configuración, Preprocesamiento, Análisis y Resultados.
   1. En Configuración, utilice las opciones de menú para iniciar un nuevo proyecto e introducir información básica del experimento. Cargue las imágenes funcionales, realineadas y co-registradas a las imágenes anatómicas para cada sujeto.
   2. Cargue las imágenes estructurales. Cargue los archivos ROI de heterotopía creados en el paso 2.3. Introduzca los detalles de la condición experimental; Dado que se trata de un estado de reposo, ingrese una sola condición con un inicio de 0 segundos y una duración igual a la duración completa de cada sesión. La caja de herramientas extraerá la heterotopía ROI BOLD series temporales. Inspeccione en busca de posibles inconsistencias.
   3. Para el preprocesamiento, las fuentes de confusión de la variación BOLD incluyen modulaciones inducidas por la respiración del campo magnético principal y pulsaciones cardíacas, así como el movimiento del sujeto. Elimine los factores de confusión a través del método integrado basado en componentes principales que analiza datos de series temporales de regiones que probablemente no estén asociadas con la actividad neuronal, como ventrículos y vasos grandes, para identificar procesos fisiológicos de ruido. Obtenga una vista previa de la varianza total explicada por cada una de las posibles fuentes de confusión. Aplique un filtro de frecuencia de paso de banda (0,01 Hz < f < 0,1 Hz) y un suavizado gaussiano (6 mm de ancho completo a la mitad del máximo).
      NOTA: La caja de herramientas identificará de forma predeterminada las fuentes de posibles factores de confusión, incluida la señal BOLD de la materia blanca y el líquido cefalorraquídeo y los parámetros de realineación (movimiento del sujeto).
   4. Para Análisis y resultados, identifique las fuentes de interés como los ROI de heterotopía. Obtenga una vista previa de la medida de conectividad de correlación (en lugar de regresión) y visualícela utilizando valores de umbral para los coeficientes de correlación.
      1. Para cada sujeto, cree mapas de conectividad de semilla a vóxel utilizando cada región discreta de materia gris heterotópica como ROI semilla, demostrando la correlación entre la serie de tiempo de señal BOLD promedio del ROI y cualquier otro vóxel cerebral.
      2. Realice análisis de segundo nivel para contrastes entre sujetos o entre fuentes (opcional). Mostrar los resultados utilizando umbrales de altura (nivel de vóxel) y extensión (nivel de clúster); Se muestran valores p corregidos por la tasa de descubrimiento falso y no corregidos.
5. Utilice el software MRICroN para delinear manualmente dos objetivos de interés, un objetivo conectado y un objetivo no conectado, para TMS, utilizando la herramienta Pluma. Usando la función "Superposición", superponga los mapas de conectividad funcional creados anteriormente en las imágenes estructurales para cada sujeto.
   1. Asegúrese de que la región de destino sea una región de la corteza que tenga una conectividad funcional significativa con la heterotopía de la materia gris, como se describió anteriormente. Asegúrese de que el objetivo no conectado sea una región de tamaño similar que no demuestre una conectividad funcional significativa con ningún ROI de heterotopía y esté ubicada al menos a 2,5 cm del objetivo conectado en la superficie cortical para minimizar el riesgo de efectos de estimulación del vecindario durante TMS.
   2. Elija objetivos tales que la probabilidad de grandes artefactos inducidos por TMS sea pequeña. Específicamente, evite seleccionar objetivos en las regiones lateral temporal o frontopolar, ya que es probable que produzcan grandes contracción muscular y / o artefactos de movimiento ocular que pueden oscurecer la señal temprana de TMS-EEG. Guarde los objetivos descritos como nuevos ROI de destino.
6. Determine las coordenadas del MNI (Instituto Neurológico de Montreal) para cada ROI objetivo en cada sujeto. Luego use estas coordenadas para identificar los dos sitios objetivo equivalentes en el sujeto de control sano emparejado de cada sujeto.

3. Configuración experimental TMS-EEG

1. Cargue escaneos estructurales (generalmente imágenes volumétricas 3D ponderadas en T1 de alta resolución) en el sistema de neuronavegación.
2. Usando el software de neuronavegación, marque los objetivos deseados en las imágenes. También marque los marcadores anatómicos externos (la nasión, el trago bilateral) que se utilizarán para el corregistro y la neuronavegación durante la sesión de estimulación. Si usa una tapa de EEG con electrodos giratorios y cables de electrodos, oriente los cables perpendiculares al eje largo de la bobina TMS52.
3. Póngase en contacto con el sujeto antes de la sesión experimental para recordarle que no use acondicionadores u otros productos para el cabello (se acepta champú) el día de la sesión de TMS-EEG, que evite las bebidas alcohólicas la noche anterior a la sesión de TMS-EEG y que beba su consumo diario habitual de cafeína antes de la sesión de TMS.

4. Sesión experimental

1. Confirme que el sujeto pasa los criterios de seguridad de TMS, idealmente a través de un cuestionario estructurado. Confirme que el sujeto no consumió bebidas alcohólicas la noche anterior, no bebió significativamente más o menos que su consumo diario habitual de cafeína, no consumió somníferos de venta libre que alteran la excitabilidad cortical (como la difenhidramina) la noche anterior y recibió una noche típica de sueño (ya que la privación del sueño puede aumentar la excitabilidad cortical).
2. Pídale al sujeto que se siente en una silla cómoda.
3. Monte el gorro de EEG en el sujeto y prepare los electrodos.
   1. Mida la cabeza del sujeto y seleccione un gorro de EEG del tamaño adecuado para ayudar a permitir impedancias bajas de electrodos.
   2. Limpie a fondo la piel debajo de cada electrodo con un aplicador de punta de algodón y alcohol.
   3. Agregue gel conductor a cada electrodo. No agregue demasiado gel para que se filtre entre los electrodos, ya que eso puede crear un puente y conducir a una señal común entre diferentes electrodos.
   4. Si es necesario, para asegurar un buen contacto entre el cuero cabelludo, el gel y el electrodo, intente presionar cada electrodo después de agregar el gel. Para minimizar los artefactos de carga, asegúrese de que el gel no se extienda fuera del soporte del electrodo. Reducción homogénea de los niveles de conductancia para minimizar los artefactos de grabación.
   5. Coloque los electrodos de referencia y tierra lo más lejos posible de la bobina de estimulación para minimizar la posibilidad de que el artefacto del electrodo inducido por TMS contamine toda la grabación. Es preferible colocar estos electrodos sobre estructuras óseas, en zonas presumiblemente "inactivas" con actividad cortical mínima.
      NOTA: Incluso en estudios para los cuales las ubicaciones objetivo son variables, es poco probable que las regiones frontopolares se seleccionen como objetivos porque la TMS en estas regiones puede provocar grandes movimientos oculares, contracción de los músculos frontales y faciales, y, con frecuencia, dolor de cabeza y dolor de cabeza en el cuero cabelludo; en consecuencia, la señal TMS-EEG durante la estimulación de estas regiones a menudo se ve oscurecida por grandes artefactos.
   6. Dado que es poco probable que estas regiones se elijan como objetivos para la estimulación, use la frente para colocar los electrodos de referencia y tierra. Colóquelos a unos pocos centímetros uno del otro para minimizar el ruido de modo común.
      NOTA: En situaciones en las que todos los objetivos de estimulación están en un hemisferio, la mastoides contralateral sería otra opción.
   7. Verifique las impedancias de los electrodos de la siguiente manera: enchufe los cables de salida de EEG en el conector de "impedancia" del sistema de registro de EEG, luego presione el botón "medir impedancias" en el sistema de EEG. Asegúrese de que la impedancia del electrodo no sea superior a 5 kΩ.
4. Prepare los electrodos EMG en la mano contralateral (use los primeros músculos interóseos dorsales o abductores cortos; utilice el mismo músculo en todos los sujetos en un solo estudio).
5. Administre tapones para los oídos al sujeto para minimizar el riesgo de pérdida auditiva y tinnitus.
   NOTA: Otra opción sería utilizar auriculares que reproduzcan ruido blanco o ruido de color (con características espectrales que coincidan con las del clic TMS) durante todo el proceso de grabación, a un volumen suficiente para enmascarar el clic auditivo producido por TMS; esto tendría el beneficio adicional de minimizar la confusión potencial de los potenciales evocados auditivos inducidos por TMS. Cabe destacar que también es necesaria una fina capa de espuma entre la bobina y el cuero cabelludo para minimizar el potencial evocado auditivo.
6. Coloque los detectores infrarrojos en la cabeza del sujeto, asegurándose de que los detectores estén colocados de manera que minimicen el riesgo de movimiento durante la sesión experimental.
7. Registre conjuntamente la cabeza del sujeto con las imágenes de resonancia magnética identificando la ubicación de los marcadores fiduciales anatómicos externos preseleccionados (sección 3.2) en el sujeto utilizando el puntero que se incluye con el equipo de neuronavegación.
8. Familiarice al sujeto con la estimulación aplicando un pulso en otro lugar (p. ej., el brazo del sujeto) o aplicando un pulso de estimulación de baja intensidad (p. ej., 5% de salida máxima del estimulador) en el cuero cabelludo.
9. Determine el umbral motor en reposo (la intensidad mínima que produce un potencial evocado motor de al menos 50 μV de tamaño en 5/10 ensayos). Uno de esos métodos, el método de frecuencia relativa, es el siguiente.
   1. Determine la ubicación de la corteza motora del sujeto en el hemisferio ipsilateral a los objetivos basados en la conectividad fMRI. Cuando se usa la neuronavegación, esto generalmente se encuentra en la región del "Omega" en la circunvolución precentral. Incline la bobina perpendicular a la circunvolución, con el mango apuntando occipitalmente.
   2. Comience la estimulación a una intensidad que se espera que sea inferior al umbral (p. ej., 35% de salida máxima del estimulador).
   3. Aumente la intensidad de la estimulación en pasos del 5% de salida máxima del estimulador hasta que TMS evoque consistentemente potenciales evocados motores (MEP) con amplitudes > 50 μV en cada prueba.
   4. Luego, disminuya la intensidad de la estimulación en pasos del 1% de salida máxima del estimulador hasta que se registren menos de 5 respuestas positivas de cada 10.
      NOTA: Esta intensidad de estimulación más 1 se define como el umbral motor. Alternativamente, use técnicas de umbral adaptativo para identificar el umbral motor con menos estímulos.
10. Para la estimulación de las áreas objetivo, establezca la intensidad de TMS en el valor deseado (p. ej., umbral motor en reposo del 120%).
    NOTA: Sin embargo, en los casos en que existen variaciones regionales significativas en la distancia entre el cuero cabelludo y la corteza (p. ej., en pacientes con atrofia del lóbulo frontal), dicha técnica puede resultar en una estimulación por debajo del umbral. Alternativamente, con sistemas de neuronavegación apropiados capaces de realizar estimaciones en línea del campo eléctrico inducido, la intensidad de la estimulación también se puede establecer en una amplitud específica del campo eléctrico inducido calculado (en V / m) en la superficie cortical.
11. Aplique pulsos individuales de TMS a cada una de las regiones objetivo utilizando el software de neuronavegación, con un intervalo variable entre pulsos para minimizar la plasticidad cortical y los efectos de expectativa del sujeto (por ejemplo, cada 4 a 6 segundos, con un intervalo de al menos 3 segundos para evitar efectos acumulativos). Para maximizar la consistencia, incline la bobina perpendicularmente al eje largo de la circunvolución subyacente, con el mango apuntando posterolateralmente.

Materiales