Estimulación cerebral dependiente del estado cerebral con estimulación magnética transcraneal activada por electroencefalografía en tiempo real

El método combina EEG y TMS para la estimulación cerebral dependiente del estado cerebral en tiempo real. Esto permite que las parcelas TMS se sincronicen con una fase específica de las oscilaciones cerebrales endógenas continuas. La estimulación cerebral es una técnica para modular el cerebro mediante la sincronización de pulsos TMS individuales con un estado cerebral específico definido por EEG.

El efecto de la estimulación se puede optimizar. El TMS estándar ya se utiliza para tratar enfermedades neurológicas y psiquiátricas como el accidente cerebrovascular y la depresión. El TMS sincronizado con EEG tiene el potencial de mejorar los resultados del tratamiento utilizando protocolos de estimulación personalizados.

También utilizamos TMS sincronizado con EEG para investigar la neurofisiología básica de las oscilaciones cerebrales en el ser humano comparando los efectos que tienen los estímulos que son idénticos pero se aplican durante diferentes estados cerebrales. Los efectos pueden ser sutiles y son fácilmente lavados por otras fuentes de variabilidad experimental. Encontramos que la baja intensidad del estímulo funciona mejor para observar el efecto del ritmo motor sensorial en la excitabilidad espinal cortical.

Para llevar a cabo un experimento de bucle cerrado, la actividad cerebral se registra a través de potenciales de EEG de la superficie del cuero cabelludo que están digitalizados por un amplificador EEG. La señal pasa entonces a la unidad principal del EEG y desde allí al dispositivo en tiempo real que controla el estimulador, cerrando así el bucle de señal entre la medición y la modulación de la actividad cerebral. El dispositivo en tiempo real analiza las oscilaciones EEG y envía una señal de disparo al estimulador TMS cuando se cumple una condición de disparo predeterminada para pasar un pulso de corriente breve a través de la bobina TMS que se coloca en la cabeza.

Durante el experimento, la posición de la bobina en la cabeza será monitoreada con un dispositivo de neuronavegación. Conecte la salida en tiempo real del sistema EEG a la entrada del dispositivo en tiempo real y conecte la salida del dispositivo en tiempo real a la entrada del activador del estimulador TMS. Registre el participante del estudio en el sistema, asegurándose de que el protocolo coincida con el diseño del límite del EEG y de que los canales relevantes se envíen a la salida en tiempo real.

En el ordenador que controla el dispositivo en tiempo real, cargue el software para controlar el dispositivo en tiempo real y asegúrese de que los canales de entrada en tiempo real coincidan con la configuración del sistema EEG. Entonces gire el estimulador TMS y fije la configuración al activador externo. Para monitorear la posición de la bobina y lograr una orientación PRECISA y consistente TMS dentro y a través de las sesiones, cargue los datos de RMN estructurales individuales en el software del sistema de navegación antes de iniciar el experimento para cada participante.

A continuación, conecte un rastreador de bobina a la bobina de estimulación y calibrar la bobina. Cuando el sistema esté listo, coloque una tapa EEG de tamaño adecuado en la cabeza del participante del estudio y utilice la cinta de medición para colocar la tapa correctamente. Empuje el cabello a un lado para que el cuero cabelludo sea visible y prepare el cuero cabelludo con una aplicación de gel abrasivo.

A continuación, aplique gel conductor a los electrodos y compruebe que las impedancias del electrodo EEG están por debajo de cinco kilomios. Cubra la tapa EEG con una envoltura de plástico y coloque una tapa de malla por encima de la envoltura de plástico para mantener los cables en una posición fija para reducir la variabilidad del artefacto EEG. A continuación, aplique cinta adhesiva para aumentar la estabilidad de las múltiples capas y pegue un rastreador de cabeza reflectante a la cabeza del sujeto para garantizar la estabilidad durante todo el experimento.

Fije los electrodos EMG de superficie a los músculos objetivo limpios y abrasados e inspeccione visualmente las señales EEG y EMG en curso en busca de electrodos defectuosos. Mantenga los cables EMG bipolares juntos y cerca del cuerpo del participante del estudio para reducir la captación de ruido de línea. A continuación, utilice la herramienta de puntero para co-registrar el modelo de cabecera con los puntos de referencia anatómicos relevantes y localizar las ubicaciones del sensor EEG para permitir la estimación posterior de las fuentes individuales de la actividad EEG.

Para realizar un experimento TMS sincronizado con EEG en tiempo real, primero determine la ubicación exacta donde el TMS de la corteza motora evoca la respuesta motora más fuerte de los músculos de la mano. A continuación, marque este punto de acceso y la posición de la bobina en el software de neuronavegación. A continuación, fije la cabeza del sujeto con una almohada de vacío y fije la bobina en la ubicación del punto de acceso con un brazo mecánico.

Para determinar la intensidad de estimulación umbral ajustar gradualmente la intensidad de la estimulación hasta que el 50% de los pulsos TMS resulten en una respuesta motora. Aquí la intensidad se ha establecido en el 110% de la intensidad del umbral. Para configurar el sistema en tiempo real para combinar múltiples canales EEG para extraer una oscilación específica, utilice un filtro espacial laplaciano de cinco canales centrado en el electrodo C3 para extraer el ritmo motor sensorial.

Para accionar TMS en el pico positivo o negativo de esta oscilación, establezca la condición del disparador de fase a fase cero o fase pi aleatoriamente para cada ensayo antes de armar el dispositivo en tiempo real y configurar la secuencia que se repetirá en un loop cada dos segundos. A continuación, ejecute el experimento durante unos 10 minutos para adquirir un número suficiente de ensayos para diferenciar los efectos de estimulación específicos de la fase. Durante el experimento, la posición de la bobina será monitoreada en el sistema de neuronavegación y las señales EEG y EMG serán monitoreadas en el sistema EEG.

Los datos sin procesar, así como el EEG pre-estímulo y la respuesta muscular post-estímulo para cada condición también se muestran en el sistema EEG. El dispositivo en tiempo real realizará el filtrado espacial para apuntar a la región cerebral de interés y filtrado de pase de banda para aislar la oscilación de interés, estimando la amplitud instantánea y la fase utilizando la predicción de avance autoregresivo y la transformación Hilbert. Esta señal se compara entonces con la condición del activador.

Si se cumplen el umbral de potencia y las condiciones de fase, se activa el estimulador. Utilizando los promedios de funcionamiento en línea mostrados, la precisión de la segmentación por fase y el efecto de la fase en la respuesta muscular se pueden estimar durante el experimento. En estas cifras se muestra una señal EEG pre-estímulo promedio en los 400 milisegundos antes del pulso TMS para tres condiciones predefinidas y potenciales de motor evocados promedio generados desde los músculos de la mano derecha.

En conjunto, estos resultados demuestran que la desviación negativa del EEG del micro ritmo corresponde a un estado de excitabilidad cortical más alto que conduce a amplitudes potenciales evocadas por motores más grandes en comparación con la desviación positiva del EEG con una baja variabilidad entre pruebas de los efectos de excitabilidad corticospinal observados. Necesitamos una señal EEG estable y limpia. La clave es un participante de estudio bien preparado que está relajado, cómodo y capaz de permanecer quieto.

Este es un método plug and play fácil de usar para investigar si los estados de conectividad cortical a gran escala tienen efectos causales en experimentos basados en perturbaciones. Mirando una oscilación localizada, ese es sólo el primer paso. Hemos sido capaces de utilizar los hallazgos de esta técnica para mostrar que el TMS repetitivo tiene un pico negativo de los resultados de oscilaciones motoras sensoriales en curso y potenciación a largo plazo como la plasticidad.

TMS es un procedimiento seguro e indoloro. Un efecto secundario muy raro es una convulsión epiléptica en personas vulnerables y ocasionalmente puede ocurrir dolor de cabeza temporal leve.