Mapeo de las secuelas de la theta ráfaga de estimulación sobre la corteza auditiva humana con imágenes funcionales
12 de septiembre de 2012
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.
El objetivo general de este procedimiento es combinar la imagen funcional del cerebro con la estimulación magnética transcraneal para investigar la corteza auditiva. Esto se logra primero realizando un localizador funcional por RM para identificar la red asociada con una tarea auditiva. En segundo lugar, definir el objetivo de estimulación basándose en los datos del localizador funcional por RM.
A continuación, realice una exploración funcional de RM para medir la actividad en la corteza auditiva antes de la estimulación. Luego, utilice herramientas de NEURONAVEGACIÓN para posicionar la bobina de EMS con respecto a la anatomía individual y la función del participante. Esto se realiza mientras el sujeto está acostado sobre la camilla del escáner.
Con el fin de evitar desplazar al participante de ida y vuelta desde la sala del escáner, el paso final consiste en introducir al participante en el orificio del escáner lo más rápidamente posible e iniciar la adquisición de FMRI. En definitiva, la FMRI puede mapear los efectos inducidos por TMS. Los datos mostraron que tras la TMS se produce una reorganización funcional en la red auditiva.
La EMT es una herramienta única para investigar las relaciones causales entre áreas cerebrales específicas y funciones cognitivas. Sin embargo, su interpretación es limitada debido a la falta de información sobre la ubicación y la naturaleza de los cambios en la actividad cerebral inducidos por la EMT. Por ello, decidimos combinar la EMT con imágenes funcionales para determinar los cambios funcionales inducidos por la EMT.
La diferencia entre nuestro estudio y estudios previos es que realizamos la estimulación magnética transcraneal (TMS) dentro de la sala del escáner en el protocolo estándar de TMS fuera de línea y de FMRI. El participante debe salir de la sala de resonancia magnética, trasladarse a otra habitación para recibir la TMS y luego regresar lo más rápido posible. Para la segunda sesión de FMRI, este ir y venir puede añadir viabilidad a los cambios cerebrales inducidos por la TMS en nuestro protocolo.
La posición de la cabeza permanece relativamente estable, lo que puede conducir a una mayor precisión al comparar datos de RMf antes y después. Además, los efectos de la TMS utilizada se mapearán más rápidamente. Este protocolo se divide en una sesión de dos días.
El primer día consiste en una sesión LOCALIZADORA DE FMRI con una exploración anatómica y una funcional para definir las áreas que serán estimuladas con TMS. El segundo día consiste en sesiones de FMRI, tanto antes como después de la TMS del primer día, y en que el participante practique la tarea de discriminación de melodías fuera del escáner. En esta tarea, el sujeto indica si dos melodías consecutivas de cinco notas son iguales o diferentes.
Se incluye también una tarea de control auditiva de no discriminación en la cual el sujeto escucha patrones de cinco notas de igual duración, todas con el mismo tono de do cinco, y presiona un botón tras la segunda nota. A continuación, inicie la sesión de RM adquiriendo una imagen MR anatómica de alta resolución. Luego, adquiera imágenes funcionales utilizando una secuencia de pulso EPI de eco de gradiente y un paradigma de muestreo disperso para minimizar cualquier efecto BOLD o enmascaramiento auditivo debido al escaneo por RM.
Ruido tras la finalización del escaneo. Defina el sitio de estimulación del sujeto utilizando tanto referencias anatómicas como funcionales. Tenga en cuenta que la estimulación magnética transcraneal (TMS) tiene limitaciones respecto a la profundidad del sitio de estimulación debido a la atenuación de la intensidad del campo eléctrico con la profundidad, y no se puede esperar alcanzar áreas más profundas que tres centímetros.
Es fundamental utilizar referencias anatómicas similares para cada participante, a pesar de las diferencias anatómicas y funcionales entre individuos. Por lo tanto, utilice referencias anatómicas para localizar el giro de Heschl según lo definido por las máscaras del Atlas Estructural Harvard Oxford. La máscara se muestra aquí en verde, y luego se definió el objetivo de la estimulación magnética transcraneal (TMS) localizando el pico de activación dentro del giro de Heschl, que se muestra aquí mediante el punto azul.
También localice el vértice como un sitio para controlar los efectos no específicos de la estimulación magnética transcraneal (TMS), como los artefactos acústicos y somatosensoriales. Este se define anatómicamente como un punto medio entre el inión y el puente de la nariz, y equidistante de las apófisis espinosas derecha e izquierda. Tenga en cuenta que el orden de los sitios de estimulación debe contrarrestarse entre los individuos.
El día del experimento de TMS, configure todo el equipo. Comience con el sistema estereotáctico sin marco.
El sistema informático debe colocarse fuera de la sala del escáner, adyacente a la puerta, que permanecerá abierta durante la aplicación de la TMS. Las herramientas de registro y los rastreadores del sistema son compatibles con RM, al igual que un brazo de múltiples articulaciones. La cámara de infrarrojos utilizada aquí no es compatible con RM y, por lo tanto, debe colocarse a dos metros de distancia de la camilla del escáner, dentro de la sala del escáner y cerca de la puerta del escáner.
El sistema estimulador de TMS debe ubicarse en una sala adyacente a la sala del escáner de MRI. Se utilizará una bobina de TMS compatible con MRI en la sala del escáner, conectada al sistema de TMS mediante un cable de siete metros a través de una carga de tubo de filtro de RF, las imágenes anatómicas y funcionales del participante y los objetivos de estimulación en el paquete de software estereotáctico. Aquí estaremos apuntando al giro de Heschl derecho del participante antes de comenzar el escaneo.
Pida al sujeto que complete un formulario de cribado para RM y que retire todo metal. A continuación, inicie la adquisición de RM con escaneos anatómicos y funcionales idénticos a los realizados en la sesión localizadora. Después, saque la camilla del escáner y mantenga la plataforma corporal elevada durante toda la sesión de TMS.
Retire la bobina superior del Mr.Head y coloque la diadema y el conjunto de seguimiento en la cabeza del participante; monte el brazo multiarticulado en la camilla del escáner. Luego, fije la bobina de estimulación magnética transcraneal compatible con RM al brazo. Verifique que todos los rastreadores y la bobina se encuentren dentro del campo de visión de la cámara aquí.
La cámara se encuentra ligeramente en el lado derecho del participante para facilitar el seguimiento del desplazamiento de la bobina. Al dirigirse al hemisferio derecho, calibre la cabeza del sujeto con las herramientas de estereotaxia, coregistre la punta de la nariz, el nas y el trago de ambas orejas con los mismos puntos de referencia en los datos anatómicos. Se requieren dos experimentadores para esto.
Colóquese en el primer paso en la cabecera del participante y en el ordenador para realizar el registro en el equipo. A continuación, coloque la bobina de estimulación magnética transcraneal (TMS) compatible con RM tangencial al cuero cabelludo, con los rastreadores de la bobina dirigidos hacia la cámara de infrarrojos. La bobina debe orientarse con el mango apuntando hacia atrás y paralelo a la línea media.
Fije la posición de la bobina utilizando los tornillos en el brazo multiarticulado. Ahora encienda el sistema de estimulación magnética transcraneal (TMS) e inicie la estimulación. La TMS debe aplicarse siguiendo un protocolo pautado, como la estimulación de ráfagas theta continuas, que consiste en tres impulsos a 50 hertz, repetidos a 5 hertz durante 40 segundos.
Este protocolo ha demostrado modular la plasticidad cortical durante un período de hasta 30 minutos tras la finalización de la estimulación en poblaciones sanas. Una vez completada la estimulación, es importante colocar al sujeto nuevamente en el escáner lo más rápidamente posible. Retire todo el equipo de estimulación magnética transcraneal y deslice la cabeza del participante dentro de la bobina Mr.Head.
Asegúrese de que sus secuencias de escaneo estén preparadas y listas para comenzar, con el número y la duración de los escaneos localizadores reducidos al mínimo. Dado que los efectos de la RMTE son transitorios, la sesión final de escaneo debe iniciarse con el escaneo funcional. Nuevamente, realice la IRMf durante la ejecución de 12 minutos de la tarea de melodía.
Una vez finalizada la exploración funcional, termine con una exploración anatómica después del experimento. Realice el análisis de los datos de FMRI por separado para ambas sesiones, antes y después de la sesión de T-M-S-F-M-R-I, para cada sesión de FMRI. Contraste entre las melodías y la tarea de control auditivo.
Luego, para evaluar las diferencias entre las sesiones previas y posteriores a la T-M-S-F-M-R-I, realice un análisis de efectos aleatorios utilizando una prueba t pareada de Student. Aquí observamos los resultados del contraste entre las pruebas de discriminación de melodías y las pruebas de control auditivo para un único participante en la sesión previa a la T-M-S-F-M-R-I y en la sesión posterior a la T-M-S-F-M-R-I; las coordenadas para ambas sesiones, previa y posterior a la T-M-S-F-M-R-I, se muestran en el espacio estándar MNI 1 52 para evidenciar los cambios en el hemisferio izquierdo contralateral al sitio de estimulación, incluyendo el giro de Heschl. Aquí podemos ver los resultados del contraste posterior menos previo a las sesiones de T-M-S-F-M-R-I utilizando una prueba t pareada de Student.
Los datos sugieren que el CTBS dirigido al giro de Heschl derecho induce un aumento de la señal en la corteza auditiva contralateral y también en otras áreas contralaterales. Además, también observamos cambios en la conectividad funcional entre las cortezas auditivas en los dos hemisferios. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo utilizar equipos de neuronavegación TMS para dirigirse a áreas cerebrales específicas y de cómo realizar TMS dentro de un entorno ML.
Este procedimiento permite a los investigadores mapear los efectos inducidos por la estimulación magnética transcraneal en la corteza auditiva utilizando resonancia magnética funcional. Sin embargo, el procedimiento también puede utilizarse para dirigirse a otras regiones de interés, como áreas frontales o parietales.
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Descripción general
Este estudio investiga la corteza auditiva mediante la estimulación magnética transcraneal (TMS) combinada con imágenes por resonancia magnética funcional (fMRI). El objetivo es comprender la organización funcional del procesamiento auditivo relacionado con el habla y la música.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Procesamiento auditivo
- Imagen cerebral
Antecedentes
- El procesamiento auditivo es fundamental para comprender el habla y la música.
- La estimulación magnética transcraneal (TMS) se ha utilizado en diversos estudios cognitivos y sensoriales.
- La aplicación de la TMS en la investigación auditiva es limitada.
- Este estudio tiene como objetivo cerrar esa brecha.
Objetivo del estudio
- Combinar la fMRI con TMS para estudiar la corteza auditiva.
- Identificar la red asociada con tareas auditivas.
- Definir objetivos de estimulación basados en datos de imágenes funcionales.
Métodos Utilizados
- Realice un localizador funcional por RM para identificar las redes auditivas.
- Defina los objetivos de estimulación a partir de los datos del localizador.
- Realice una exploración funcional por RM para medir la actividad de la corteza auditiva.
- Utilice herramientas de neuronavegación para una colocación precisa de la bobina de TMS.
Resultados Principales
- Identificación de redes auditivas específicas en el cerebro.
- Localización exitosa de la corteza auditiva para la estimulación.
- Medición de los cambios en la actividad antes y después de la estimulación.
- Conocimientos sobre la organización funcional del procesamiento auditivo.
Conclusiones
- La combinación de TMS y fMRI es efectiva para la investigación auditiva.
- Este enfoque mejora la comprensión de las funciones de la corteza auditiva.
- Estudios futuros pueden basarse en estos hallazgos para obtener mayores conocimientos.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Comprender las relaciones causales entre regiones cerebrales y funciones cognitivas es fundamental para reducir los riesgos en la validación de dianas neuropsiquiátricas. Combinar la estimulación magnética transcraneal (TMS) con resonancia magnética funcional (fMRI) permite la medición directa de la plasticidad neural y la reorganización de redes, proporcionando conocimientos mecanicistas que respaldan la confianza predictiva en las fases iniciales del descubrimiento. Este enfoque aborda una brecha clave en el desarrollo terapéutico relacionado con la audición al vincular los efectos de la estimulación con resultados funcionales.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Interroga hipótesis terapéuticas mediante la cartografía de la reorganización funcional inducida por la estimulación magnética transcraneal en la corteza auditiva.
- Valor operativo: Utiliza neuronavegación para dirigirse con precisión al giro de Heschl basándose en datos individuales de localización funcional.
- Valor predictivo: Mide los cambios de señal en la corteza auditiva contralateral y la conectividad funcional entre hemisferios tras la estimulación.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Listo para el ensayo: Prepara sistemas biológicos validados mediante una tarea de discriminación de melodías para activar las redes auditivas antes de la obtención de imágenes.
- Resultados cuantitativos: Emplea resonancia magnética funcional con muestreo disperso para minimizar el enmascaramiento auditivo y capturar las respuestas BOLD durante el desempeño cognitivo.
- Reproducibilidad: Mantiene la estabilidad de la posición de la cabeza entre los escáneres previos y posteriores a la TMS para mejorar la fiabilidad de los datos longitudinales.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Relevancia para la enfermedad: Proporciona un marco para estudiar la plasticidad de la red auditiva, aplicable a trastornos como el acúfeno o los déficits del procesamiento auditivo.
- Continuidad traslacional: Relaciona los efectos agudos de la EMT con cambios a nivel de red, apoyando la exploración de biomarcadores para la respuesta terapéutica.
- Reducción de riesgos mecanicistas: Aclara si los efectos conductuales observados se deben a una modulación cortical directa o a una plasticidad mediada por la red.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
El método se integra en los flujos de trabajo de descubrimiento temprano en los que la interacción con el blanco y la eliminación del riesgo mecanicista preceden al desarrollo del ensayo, permitiendo la validación del blanco guiada por hipótesis antes del cribado de compuestos.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la inferencia causal mediante el aislamiento de los efectos de la EMT sobre redes auditivas específicas, utilizando contrastes de fMRI antes y después de la estimulación.
- Selección: Establece estados listos para ensayos mediante el rendimiento estandarizado en tareas cognitivas para asegurar una participación constante de las redes.
- Análisis: Genera variables dependientes cuantitativas mediante el cambio de señal en el espacio MNI y métricas de conectividad funcional para la comparación entre condiciones.
- Investigación Traducional: Conecta la modulación neural aguda con la reorganización de redes, aportando información para modelos preclínicos posteriores de disfunción auditiva.
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma reutilizable para dirigirse a cualquier región cortical mediante neuronavegación y la combinación de EMT-fMRI.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Reduce la ambigüedad mecanicista al vincular directamente la estimulación con los cambios funcionales observados en la corteza auditiva.
- Valor operativo: Estandariza la localización mediante referencias anatómicas y funcionales (giro de Heschl, vértice) entre participantes.
- Valor estratégico: Mejora las decisiones de ir/no ir al proporcionar evidencia fisiológica de la participación del objetivo y de los efectos en la red.
- Impacto en la cartera: Permite la priorización ajustada al riesgo de objetivos auditivos basada en métricas reproducibles de plasticidad.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en seguridad de la estimulación magnética transcraneal (TMS), neuronavegación y diseño de experimentos de fMRI.
- Necesita equipo de TMS compatible con MRI, filtrado de radiofrecuencia y sistemas de seguimiento infrarrojo.
- Exige estandarización entre equipos multidisciplinarios de neurología, imagen y evaluación cognitiva.
- Implica consideraciones de adaptación para diferentes objetivos corticales según las limitaciones de profundidad (<3 cm) y la anatomía individual.
- Incluye limitaciones prácticas, como el ruido acústico generado por la TMS dentro del túnel del escáner, que podría interferir con mediciones específicas del sistema auditivo.
