Mapeo de las secuelas de la theta ráfaga de estimulación sobre la corteza auditiva humana con imágenes funcionales

Resumen

El procesamiento auditivo es la base de la expresión y el procesamiento relacionado con la música. Estimulación Magnética Transcraneal (TMS) se ha utilizado con éxito para estudiar los sistemas cognitivos, sensoriales y motoras, pero rara vez se ha aplicado a la audición. Aquí investigamos TMS combinado con resonancia magnética funcional para comprender la organización funcional de la corteza auditiva.

Resumen

La corteza auditiva se encarga del procesamiento del sonido, que constituye la base del procesamiento relacionado con el habla o la música¹. Sin embargo, a pesar de los considerables avances recientes, las propiedades funcionales y la lateralización de la corteza auditiva humana están lejos de comprenderse completamente. La estimulación magnética transcraneal (TMS) es una técnica no invasiva que puede modular transitoria o permanentemente la excitabilidad cortical mediante la aplicación de pulsos de campo magnético localizados, y representa un método único para explorar la plasticidad y la conectividad. Solo recientemente ha comenzado a aplicarse para comprender la función de la corteza auditiva ².

Un aspecto importante al utilizar la estimulación magnética transcraneal (TMS) es que resulta difícil establecer las consecuencias fisiológicas de la estimulación. Aunque muchos estudios con TMS asumen implícitamente que la zona dirigida por la bobina es la zona afectada, esto no necesariamente es así, particularmente en funciones cognitivas complejas que dependen de interacciones entre múltiples regiones cerebrales ³. Una solución a este problema consiste en combinar la TMS con imágenes por resonancia magnética funcional (fMRI). La idea aquí es que la fMRI proporcionará un índice de los cambios en la actividad cerebral asociados con la TMS. Así, la fMRI ofrecería un método independiente para evaluar qué áreas son afectadas por la TMS y cómo se modulan ⁴. Además, la fMRI permite evaluar la conectividad funcional, que representa una medida del acoplamiento temporal entre regiones distantes. Por lo tanto, puede ser útil no solo para medir la modulación neta de la actividad inducida por la TMS en ubicaciones específicas, sino también el grado en que las propiedades de la red se ven afectadas por la TMS, a través de cualquier cambio observado en la conectividad funcional.

Existen diferentes enfoques para combinar la estimulación magnética transcraneal (TMS) y el imaging funcional según el orden temporal de los métodos. La resonancia magnética funcional (fMRI) puede aplicarse antes, durante, después, o tanto antes como después de la TMS. Recientemente, algunos estudios han intercalado la TMS y la fMRI con el fin de obtener un mapeo en línea de los cambios funcionales inducidos por la TMS ^5-7. Sin embargo, esta combinación en línea presenta numerosos problemas técnicos, incluyendo los artefactos estáticos derivados de la presencia de la bobina de TMS en la sala del escáner, o los efectos de los pulsos de TMS sobre el proceso de formación de imágenes por RM. Pero, más importante aún, el intenso ruido acústico inducido por la TMS (aumentado en comparación con el uso estándar debido a la resonancia del túnel del escáner) y las vibraciones incrementadas de la bobina de TMS (causadas por las fuertes fuerzas mecánicas debidas al campo magnético estático del escáner de RM) constituyen un problema crucial al estudiar el procesamiento auditivo.

Esta es una razón por la cual se realizó fMRI antes y después de la TMS en el presente estudio. Enfoques similares se han utilizado para dirigirse a la corteza motora ^8,9, la corteza premotora ¹⁰, la corteza somatosensorial primaria ^11,12 y áreas relacionadas con el lenguaje ¹³, pero hasta ahora ningún estudio combinado de TMS-fMRI ha investigado la corteza auditiva. El objetivo de este artículo es proporcionar detalles sobre el protocolo y las consideraciones necesarias para combinar con éxito estas dos herramientas neurocientíficas con el fin de investigar el procesamiento auditivo.

Anteriormente demostramos que la estimulación magnética transcraneal repetitiva (rTMS) a frecuencias altas y bajas (10 Hz y 1 Hz, respectivamente) aplicada sobre la corteza auditiva modulaba el tiempo de respuesta (TR) en una tarea de discriminación de melodías². También mostramos que la modulación del TR se correlacionaba con la conectividad funcional en la red auditiva evaluada mediante resonancia magnética funcional (fMRI): cuanto mayor era la conectividad funcional entre las cortezas auditivas izquierda y derecha durante la realización de la tarea, mayor era el efecto facilitador (es decir, disminución del TR) observado con rTMS. Sin embargo, esos hallazgos eran principalmente correlacionales, ya que la fMRI se realizó antes de la rTMS. Aquí, la fMRI se llevó a cabo antes y justo después de la TMS para obtener medidas directas de la organización funcional de la corteza auditiva, y más específicamente, de la reorganización plástica de la red neuronal auditiva que ocurre tras la intervención neural proporcionada por la TMS.

La combinación de fMRI y TMS aplicada sobre la corteza auditiva debería permitir una mejor comprensión de los mecanismos cerebrales del procesamiento auditivo, proporcionando información fisiológica sobre los efectos funcionales del TMS. Este conocimiento podría ser útil para muchas aplicaciones en neurociencia cognitiva, así como para optimizar las aplicaciones terapéuticas del TMS, particularmente en trastornos relacionados con la audición.

Protocolo

El protocolo se divide en un período de dos días (no necesariamente consecutivos). El día primero consiste en un localizador fMRI compuesto con un anatómicas y funcionales a exploraciones por RM para definir para cada participante las áreas objetivo con TMS. El segundo día consiste en las sesiones de resonancia magnética funcional pre-y post-TMS TMS donde se aplica en el interior del escáner con una bobina especial MR TMS compatible (Magstim Ltd., País de Gales, Reino Unido) y un sistema de estereotaxia sin marco (Brainsight). Este último se utiliza para la posición en tiempo real de la bobina de EMT en áreas corticales relativos a los datos anatómicos y funcionales de cada participante.

1. Localizador Sesión

• Comience con la adquisición de una imagen anatómica de alta resolución de la participante.
• Entonces, adquirir imágenes funcionales utilizando un gradiente de eco EPI pulso y un paradigma de muestreo escaso en el fin de minimizar cualquier efecto de negrita o enmascaramiento auditivo debido al ruido de escaneo MRI ^14,15. En nuestro caso, se lleva a cabo fMRI durante una tarea melodía en la que los participantes tienen que determinar si dos consecutivos Nota 5-melodías son iguales o diferentes ^2,16. A la no discriminación auditiva tarea de control también se incluye, en el que los sujetos escuchar dos de igual longitud patrones de cinco notas, todos a la misma altura de C5 y pide que pulse el botón izquierdo tras el segundo estímulo. Los períodos de silencio también se insertan aleatoriamente entre los ensayos de tarea en cada carrera. En total, 72 ensayos se presentan en un orden aleatorio: 24 ensayos de discriminación melodía, 24 ensayos de control auditivo y 24 periodos de silencio, con una duración total de 12 min 16 seg.
• Definir el lugar de estimulación mediante anatómicas y / o funcionales de puntos de referencia. Uno tiene que ser consciente de que TMS está limitado en cuanto a la profundidad de la zona de estimulación debido a la atenuación de la intensidad de campo eléctrico en profundidad, y no se puede esperar a llegar a las zonas más profundas de 3 cm ^6,17. Un paso fundamental es el uso de marcas similares para cada parteicipant, que podría ser difícil debido a las diferencias en la anatomía y función entre los participantes. Aquí, nos dirigimos circunvolución Heschl en cada participante, que se encuentra usando ambos puntos de referencia anatómicos y funcionales. Nosotros usamos máscaras de giro Heschl proporcionada por los atlas Harvard-Oxford estructurales ( http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html ) y el objetivo de TMS se define individualmente por el pico de activación en la circunvolución del Heschl ^2. Además, también definen la posición de vértice, que se utiliza como punto de control para controlar para efectos no específicos de TMS como artefactos acústicos y somatosensorial. El vértice se define anatómicamente como un punto a medio camino entre el inión y el puente de la nariz, y equidistante de las muescas intertragal derecho e izquierdo. El orden del lugar de estimulación (es decir giro Heschl o vértice) se compensa a través deindividuos.

2. Pre-y Post-TMS-fMRI experimento

Pre-TMS fMRI sesión

• Preparar al participante para ir directamente en el escáner. Esto incluye la remoción de metal y llenar el formulario de TMS y MR de selección.
• Inicie la adquisición de RM con una anatomía y una exploraciones funcionales (idéntica a la realizada en la sesión del localizador, véase la sección 1).

Estereotaxia sin marco y TMS en el entorno MRI

El sistema de estereotaxia sin marco se compone de una cámara de infrarrojos (Polaris Spectra), algunas herramientas y rastreadores (Brainsight) empleados para el procedimiento de registro y un ordenador. El ordenador se encuentra fuera de la sala del escáner, pero situada en la entrada de la sala del escáner y la puerta del escáner se mantiene abierto durante la aplicación de TMS. Las herramientas y los rastreadores son MR compatible, así como el trípode (hecho en casa) que soporta la cámara de infrarrojos y son therefore utilizado dentro de la sala del escáner. La cámara de infrarrojos no es compatible con MR, y por lo tanto se coloca dentro de la sala del escáner, cerca de la puerta del escáner en aproximadamente dos metros de la superficie del escáner (véase la discusión de procedimiento de seguridad). El sistema TMS estimulador se encuentra en una habitación contigua a la sala del escáner de resonancia magnética. Usamos una bobina de MRI TMS compatible ubicado dentro de la sala del escáner y conectado al sistema de TMS a través de un cable de 7 m por medio de un tubo de filtro de RF.

• Cargar imágenes anatómicas y funcionales de su participante y los objetivos de estimulación en el paquete de software estereotáctica (Brainsight por ejemplo). Aquí, vamos a tener como objetivo la circunvolución Heschl derecho.
• Después de la adquisición fMRI pre-TMS, retire el cabezal superior MR parte bobina de la bobina de la cabeza de 32 canales (si se utiliza el escáner 3T Siemens y la configuración de la bobina de 32 canales cabeza).
• A continuación, deslice hacia abajo el participante en la superficie del escáner.
• Fije la banda para la cabeza y un conjunto de seguimiento sobre la participcabeza de hormiga.
• Monte el brazo multi-articulado a la superficie del escáner y fijar la bobina TMS MR compatible en los brazos.
• Verificar que todos los rastreadores y la bobina están en el campo de visión de la cámara. Aquí, la cámara está ligeramente desplazada hacia el lado derecho del participante para permitir un seguimiento más fácil de los desplazamientos de la bobina cuando la orientación del hemisferio derecho.
• Calibrar la cabeza del sujeto con las herramientas de estereotaxia (es decir, instrumento de puntero). Esto se hace por coregistering varias marcas en la cabeza del participante (por ejemplo, en nuestro caso la punta de la nariz, el nasión y el trago de ambos oídos) con los mismos puntos de referencia sobre los datos anatómicos. En este procedimiento, se necesitan dos experimentadores, uno cerca de la cabeza del participante para posicionar la herramienta de puntero en la cabeza del participante, y el experimentador otra a la entrada de la sala del escáner para realizar el registro en el ordenador.
• Coloque la bobina MR compatible TMS tangencial a tél cuero cabelludo, y los rastreadores bobina dirigida hacia la cámara de infrarrojos. La bobina está orientado con el mango bobina apuntando hacia atrás y paralelamente a la línea ^2. Fijar la posición de la bobina con los tornillos en el brazo multi-articulado.
• En la sala adyacente al escáner MRI, encienda el sistema TMS y comenzar la estimulación. TMS se aplica siguiendo un protocolo patrón, es decir, la estimulación continua explosión theta (CTBS) que consiste en 3 pulsos a 50 Hz, 5 Hz para repetirse a los 40 años. Usamos una intensidad de estimulación fijo (41%) definido por la salida del estimulador ^18,19. Elegimos este protocolo, ya que se ha demostrado que modulan la plasticidad cortical para una duración de hasta 30 minutos después de cesar la estimulación en poblaciones sanas ^20, (véase la sección de discusión de procedimiento de seguridad).

Post-TMS fMRI sesión

• Una vez que se haya completado la estimulación, es importante para obtener el tema de nuevo en el escáner, tan pronto como sea posible. Retire el TMS bobina de la sala del escáner y retire el brazo multi-articulado. Deslice hacia atrás la cabeza del participante en la bobina de la cabeza MR. Asegúrese de que el escáner está preparado y listo para funcionar. Nuestro consejo es mantener la plataforma corporal elevada durante toda la sesión de TMS, y reducir el número y duración de las exploraciones del localizador a un mínimo.
• Debido a que los efectos de la EMTr son transitorios, la sesión de exploración final debe comenzar con el análisis funcional. Una vez más, se realizó fMRI durante una ejecución de 12-min de la tarea melodía.
• Después de la exploración final se ha completado, termine con una exploración anatómica.

3. Los resultados representativos

Los análisis de los datos de la fMRI se llevan a cabo por separado tanto para la sesión de fMRI pre-y post-TMS. En cada sesión de fMRI (es decir, antes y después del TMS-), el contraste entre las melodías y la tarea de control muestra auditiva relacionada con las tareas en la actividad de la izquierda y la derecha Heschl giros, circunvoluciones temporal superior, inferior y frontal gyrus precentral circunvoluciones (Figura 1 A, B). Para evaluar las diferencias entre las sesiones de resonancia magnética funcional pre y post-TMS, llevamos a cabo un análisis de efectos aleatorios de Student para datos apareados t-test. La significación se determinó usando grupos identificados por az> 2 umbral y un umbral de clúster corregido de p = 0,05. Figura 1 C representa el contraste minus post-pre-CTBS para un único participante. Los datos sugieren que CTBS dirigidas a la derecha Heschl giro (círculo negro) induce un aumento de la respuesta fMRI en la corteza contralateral (izquierda) auditivos, incluyendo el giro a la izquierda Heschl. Los cambios en la respuesta fMRI también se encuentran en la circunvolución postcentral izquierda, de izquierda ínsula, y bilateralmente en la corteza occipital lateral. Sin embargo, ningún cambio significativo en la respuesta fMRI se ve bajo la bobina. Además, similar combinado TMS-fMRI protocolo se repite para estimular el vértice (sitio de control). Comparación de las sesiones previas y posteriores fMRI con CTBS aplicados sobre el vértice no mostró significant efecto (datos no mostrados).

Figura 1. Análisis de las distintas pre-TMS datos de la fMRI (A), post-TMS fMRI datos (B) y post-menos pre-TMS datos fMRI (C). A. Resultados de la discriminación melodía contraste menos auditivas ensayos de control para un único participante en la sesión de fMRI pre-TMS (A) y en el período de post-TMS fMRI (B). De izquierda a derecha: vista axial, coronal y sagital. En ambos (A) y (B), la bobina TMS está apuntando a la derecha Heschl giro (círculo negro) situado en x = 54, y = -13, z = 1 (MNI152 espacio estándar). Para ambas sesiones fMRI pre-y post-TMS, se mostrarán las coordenadas en x = -54, y = -13, z = 1 (MNI152 espacio estándar) para mostrar los cambios en el hemisferio izquierdo en el lugar de estimulación (es decir, el giro a la derecha Heschl ). C. Resultados de la post-contraste minus pre-TMS sesiones utilizando fMRI de Student prueba de t pareada.

Discusión

Se describe un protocolo que combina TMS sin conexión y resonancia magnética funcional para estudiar la organización funcional de la corteza auditiva. En las secciones siguientes, vamos a discutir los aspectos metodológicos a tener en cuenta al llevar a cabo este enfoque.

Adquisición y calendario de post-TMS sesión de fMRI

Orden de adquisición exploraciones y contrapeso de las sesiones de resonancia magnética funcional antes y después de TMS-

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Nombre del Material	Tipo	Empresa
La estimulación magnética transcraneal	Magstim súper Rapid2 estimulador, Rapid-2 Plus Módulo Uno	Magstim Ltd., País de Gales, Reino Unido
Bobina para la estimulación magnética	MRI-compatible 70 mm figura-de-ocho-coil	Magstim Ltd., País de Gales, Reino Unido
La resonancia magnética	3-T escáner Siemens Trio, 32-canal Head Coil	Siemens, Inc., Alemania
Estereotaxia sin marco	Brainsight	Rogue Research Inc., Montreal, Canadá
Sistema de medición óptico	Polaris Spectra	Northern Digital Inc, Ontario, Canadá
Multi-articulado brazo de sujeción de bobina	Estándar	Hybex innovaiones Inc., Anjou, Canadá
MRI-Compatible con auriculares de inserción	Sensimetrics, Modelo S14	Sensimetrics Corporation, MA, EE.UU.