Article de méthode

Cartographie des séquelles de Theta Burst Stimulation sur le cortex auditif humain à l'imagerie fonctionnelle

DOI :

10.3791/3985

⸱

12 septembre 2012

 , 
1Montreal Neurological Institute and International laboratory for Brain, Music, and Sound (BRAMS), McGill University

Dans cet article

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Traitement auditif est à la base de la parole et de la musique liés transformation. Stimulation magnétique transcrânienne (TMS) a été utilisée avec succès pour étudier cognitifs, systèmes sensoriels et moteurs, mais a rarement été appliquée à l'audition. Ici, nous avons étudié TMS associés à l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle pour comprendre l'organisation fonctionnelle du cortex auditif.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Le cortex auditif est impliqué dans le traitement du son, qui constitue la base du traitement de la parole ou de la musique1. Toutefois, malgré des progrès considérables récents, les propriétés fonctionnelles et la latéralisation du cortex auditif humain sont loin d'être entièrement comprises. La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est une technique non invasive qui peut moduler de façon transitoire ou durable l'excitabilité corticale par l'application d'impulsions de champ magnétique localisées, et représente une méthode unique pour explorer la plasticité et les connexions neuronales. Elle n'a commencé à être utilisée que récemment pour comprendre la fonction du cortex auditif 2.

Un problème important lié à l'utilisation de la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) est que les conséquences physiologiques de la stimulation sont difficiles à établir. Bien que de nombreuses études utilisant la SMT partent du postulat implicite que la zone ciblée par la bobine est effectivement la zone affectée, ce n'est pas nécessairement le cas, en particulier pour les fonctions cognitives complexes qui dépendent d'interactions entre de nombreuses régions cérébrales 3. Une solution à ce problème consiste à combiner la SMT à l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). L'idée est que l'IRMf fournira un indice des modifications de l'activité cérébrale associées à la SMT. Ainsi, l'IRMf permettrait d'évaluer de façon indépendante quelles zones sont affectées par la SMT et de quelle manière elles sont modulées 4. De plus, l'IRMf permet d'évaluer la connectivité fonctionnelle, qui représente une mesure du couplage temporel entre des régions éloignées. Elle peut donc être utile non seulement pour mesurer la modulation nette de l'activité induite par la SMT dans des localisations données, mais aussi pour évaluer dans quelle mesure les propriétés du réseau sont affectées par la SMT, via les éventuelles modifications observées dans la connectivité fonctionnelle.

Différentes approches existent pour combiner la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) et l'imagerie fonctionnelle selon l'ordre temporel des méthodes. L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) peut être appliquée avant, pendant, après, ou à la fois avant et après la TMS. Récemment, certaines études ont entrelacé la TMS et l'IRMf afin de réaliser un cartographiage en temps réel des changements fonctionnels induits par la TMS 5-7. Toutefois, cette combinaison en temps réel présente de nombreux problèmes techniques, notamment les artefacts statiques dus à la présence de la bobine de TMS dans la salle du scanner, ou encore les effets des impulsions de TMS sur le processus de formation des images IRM. Mais plus important encore, le bruit acoustique intense généré par la TMS (accru par rapport à l'utilisation standard en raison de la résonance du tunnel du scanner) et les vibrations accrues de la bobine de TMS (provoquées par les forces mécaniques importantes dues au champ magnétique statique du scanner IRM) constituent un problème crucial lors de l'étude du traitement auditif.

C'est l'une des raisons pour lesquelles l'IRMf a été réalisée avant et après la SMT dans la présente étude. Des approches similaires ont été utilisées pour cibler le cortex moteur 8,9, le cortex prémoteur 10, le cortex somatosensoriel primaire 11,12 et les régions liées au langage 13, mais à ce jour aucune étude combinant SMT et IRMf n'a examiné le cortex auditif. L'objectif de cet article est de fournir des détails concernant le protocole et les considérations nécessaires pour combiner efficacement ces deux outils en neurosciences afin d'étudier le traitement auditif.

Précédemment, nous avons montré que la stimulation magnétique transcrânienne répétitive (rTMS) à haute et basse fréquence (respectivement 10 Hz et 1 Hz), appliquée sur le cortex auditif, modulait le temps de réponse (TR) dans une tâche de discrimination de mélodie. 2Nous avons également montré que la modulation du temps de réaction était corrélée à la connectivité fonctionnelle dans le réseau auditif évaluée par IRMf : plus la connectivité fonctionnelle entre les cortèxes auditifs gauche et droit était élevée pendant l'exécution de la tâche, plus l'effet facilitateur était important.c.-à-d. diminution du TR) observée avec la rTMS. Toutefois, ces résultats étaient principalement corrélationnels, l'IRMf ayant été réalisée avant la rTMS. Ici, l'IRMf a été effectuée avant et immédiatement après la TMS afin d'obtenir des mesures directes de l'organisation fonctionnelle du cortex auditif, et plus spécifiquement de la réorganisation plastique du réseau neuronal auditif survenant après l'intervention neuronale induite par la TMS.

La combinaison de l'IRMf et de la TMS appliquée sur le cortex auditif devrait permettre une meilleure compréhension des mécanismes cérébraux du traitement auditif, en fournissant des informations physiologiques sur les effets fonctionnels de la TMS. Ces connaissances pourraient être utiles pour de nombreuses applications en neurosciences cognitives, ainsi que pour optimiser les applications thérapeutiques de la TMS, notamment dans les troubles liés à l'audition.

Protocole

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Le protocole est divisé en une session de deux jours (pas nécessairement consécutifs). La première journée se compose d'une piste composée d'une IRMf anatomique et quelques balayages IRM fonctionnelle pour définir pour chaque participant les zones à cibler avec TMS. Le deuxième jour consiste en des sessions IRMf pré-et post-TMS TMS où est appliquée à l'intérieur du scanner à l'aide d'une bobine spéciale MR compatible TMS (Magstim Ltd, Pays de Galles, Royaume-Uni) et un système stéréotaxique sans cadre (Brainsight). Ce dernier est utilisé à la position en temps réel de la bobine TMS sur les aires corticales par rapport aux données anatomiques et fonctionnelles de chaque participant.

1. Session Localizer

  • Commencez par l'acquisition d'une image anatomique haute résolution de votre participant.
  • Ensuite, acquérir des images fonctionnelles qui utilisent un écho de gradient EPI impulsion et un paradigme échantillonnage clairsemé afin de minimiser tout effet BOLD ou masquage auditif dû au bruit de numérisation IRM 14,15. Dans notre cas, l'IRMf est effectuée dendant une tâche mélodie dans laquelle les participants doivent déterminer si deux mandats consécutifs de 5-notes mélodies sont l'2,16 identiques ou différents. Une tâche de contrôle non-discrimination auditive est également inclus, dans lesquelles les sujets entendre deux de longueur égale modes de cinq notes, tous à la même hauteur de C5 et demande de cliquer sur le bouton gauche en suivant le second stimulus. Périodes de silence sont également insérés au hasard parmi les essais des tâches dans chaque série. Au total, 72 sont des essais présentés dans un ordre aléatoire: 24 essais de discrimination mélodie, 24 essais de contrôle auditif et 24 périodes de silence, pour une durée totale de 12 min 16 sec.
  • Définir le site de stimulation à l'aide anatomiques et / ou fonctionnelles repères. Il faut être conscient que la TMS est limitée en ce qui concerne la profondeur du site de stimulation en raison de l'atténuation de l'intensité du champ électrique en profondeur et ne peut pas s'attendre à atteindre les zones les plus profondes de 3 cm 6,17. Une étape cruciale consiste à utiliser des repères similaires pour chaque partieicipant, ce qui pourrait s'avérer difficile en raison des différences dans l'anatomie et la fonction entre les participants. Ici, nous ciblons gyrus Heschl à chaque participant, situé utilisant deux repères anatomiques et fonctionnelles. Nous utilisons des masques de gyrus Heschl fournies par les atlas Harvard-Oxford structurelles ( http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html ) et la cible TMS est définie individuellement par le pic de activation dans le gyrus l'Heschl 2. En outre, nous avons également définir la position du sommet, qui sera utilisé comme site de contrôle pour contrôler les effets non spécifiques des TMS tels que des artefacts acoustiques et somato-sensoriel. Le sommet est défini comme anatomiquement point milieu de l'inion et l'arête du nez, et à égale distance des encoches droite et gauche intertragal. L'ordre du site de stimulation (gyrus dire Heschl ou un sommet) est contrebalancée dansindividus.

2. Pré-et post-TMS expérience IRMf

Pré-session de TMS IRMf

  • Préparer le participant pour aller directement dans le scanner. Cela comprend l'enlèvement de métal et de remplir le formulaire de sélection TMS et MR.
  • Lancement de l'acquisition MR avec un anatomiques et fonctionnelles quelques balayages (identique à celle effectuée lors de la session de piste, voir la section 1).

Stéréotaxie sans cadre et TMS dans l'environnement IRM

Le système de stéréotaxie sans cadre est composé d'une caméra infrarouge (Polaris Spectra), des outils et des pisteurs (Brainsight) utilisés pour la procédure d'enregistrement et un ordinateur. L'ordinateur est situé à l'extérieur de la chambre scanner, mais placée à l'entrée de la chambre et la porte du scanner scanner est maintenu ouvert pendant l'application TMS. Les outils et les trackers sont compatibles MR, ainsi que le trépied (fait maison) supportant la caméra infrarouge et sont eerefore utilisé à l'intérieur de la chambre du scanner. La caméra infrarouge n'est pas compatible IRM, et par conséquent est positionné à l'intérieur de la salle du scanner, près de la porte du scanner à environ deux mètres de la vitre du scanner (voir la discussion de procédure de sécurité). Le système TMS stimulateur est situé dans une pièce adjacente à la salle du scanner IRM. On utilise une bobine MRI compatible TMS situé à l'intérieur de la chambre et du scanner relié au système TMS par un câble 7-m dans un tube filtre RF.

  • Charger des images anatomiques et fonctionnelles votre participant et les objectifs de stimulation dans le logiciel stéréotaxique (Brainsight par exemple). Ici, nous allons cibler le gyrus Heschl de droite.
  • Après l'acquisition IRMf pré-TMS, enlever la partie supérieure MR bobine tête de la bobine de tête 32-canal (si vous utilisez le scanner 3T Siemens et la configuration à 32 canaux tête de bobine).
  • Ensuite, faites glisser vers le bas le participant sur la vitre du scanner.
  • Fixez le serre-tête et jeu de tracker sur la participant la tête.
  • Montez le bras à plusieurs articulations à la vitre du scanner et de fixer le MR bobine compatible TMS sur le bras.
  • Vérifiez que tous les trackers et de la bobine sont dans le champ de vision de la caméra. Ici, la caméra est légèrement déplacé vers le côté droit du participant pour permettre un suivi plus facile des déplacements de bobine lorsque le ciblage de l'hémisphère droit.
  • Calibrer tête de votre sujet avec les outils de stéréotaxie (c.-à-outil pointeur). Cela se fait en plusieurs points de repère coregistering sur la tête du participant (par exemple, dans notre cas, le bout du nez, le nasion et le tragus des deux oreilles) avec les points de repère sur les mêmes données anatomiques. Dans cette procédure, deux expérimentateurs sont nécessaires, l'une près de la tête du participant pour positionner l'outil pointeur sur la tête du participant, et l'expérimentateur autre à l'entrée de la salle du scanner pour effectuer l'enregistrement sur l'ordinateur.
  • Placez le MR bobine TMS compatible tangente à til cuir chevelu, et les suiveurs de bobine orientée vers la caméra infrarouge. La bobine est orienté avec la poignée bobine pointant vers l'arrière et parallèle à la ligne médiane 2. Fixer la position de la bobine à l'aide des vis sur le bras à plusieurs articulations.
  • Dans la chambre à côté de l'appareil d'IRM, mettez le système TMS et de commencer la stimulation. TMS est appliquée suivant un protocole motifs, c'est à dire, continue la stimulation thêta burst (CTBS) consistant à 3 impulsions à 50 Hz, répétée à 5Hz pour 40s. On utilise une intensité de stimulation fixe (41%), définie par le stimulateur de sortie 18,19. Nous avons choisi ce protocole, il a été montré pour moduler la plasticité corticale pour une durée allant jusqu'à 30 minutes après l'arrêt de la stimulation à la santé des populations 20, (voir la section de discussion pour les procédure de sécurité).

Session de l'IRMf post-TMS

  • Une fois que la stimulation est terminée, il est important d'obtenir le sujet dans le scanner le plus tôt possible. Retirez le TMS bobine de la salle du scanner et retirez le bras à plusieurs articulations. Faire glisser la tête du participant dans la bobine tête MR. Assurez votre scanner est préparé et prêt à partir. Notre conseil est de garder la plate-forme corporelle élevée pendant toute la session de TMS, et de réduire le nombre et la durée de l'analyse d'alignement de piste à un minimum.
  • Parce que les effets de la SMTr sont transitoires, la session de numérisation définitive devrait commencer par l'analyse fonctionnelle. Encore une fois, nous avons procédé à l'IRMf pendant un cycle de 12 min de la tâche mélodie.
  • Après la numérisation finale est terminée, terminez par une analyse anatomique.

3. Les résultats représentatifs

L'analyse des données d'IRMf sont effectuées séparément pour la session IRMf pré-et post-TMS. Pour chaque session IRMf (ie, pré et post-TMS), le contraste entre les mélodies et la tâche de contrôle auditif montre les tâches liées à l'activité de la gauche et la droite gyri Heschl, supérieur gyri temporal, frontal inférieur gyri et precentrale gyri (figure 1 A, B). Pour évaluer les différences entre les sessions IRMf pré-et post-TMS, nous effectuons une analyse aléatoire effet à l'aide de Student t-test apparié. L'importance est déterminée en utilisant les clusters identifiés par az> seuil de 2 et un seuil de cluster corrigée de p = 0,05. Figure 1 C représente le contraste post-moins pré-CTBS pour un seul participant. Les données suggèrent que CTBS ciblant le droit gyrus Heschl (cercle noir) induit une augmentation de la réponse IRMf dans le cortex (à gauche) auditive, y compris le gyrus gauche Heschl. Changements dans la réponse IRMf se trouvent également dans le gyrus post-central gauche, gauche insula et le cortex occipital latéral bilatéral. Toutefois, aucune modification significative de la réponse IRMf est vu sous la bobine. En outre, même combinée TMS-IRMf protocole est répété pour stimuler l'(site témoin) sommets. Comparaison des séances de pré-et post-IRMf avec CTBS appliquées sur le sommet n'a montré aucune significaeffet nt (données non présentées).

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Figure 1. Analyse des données individuelles IRMf pré-TMS (A), post-TMS IRMf données (B) et post-moins pré-TMS données IRMf (C). A. Résultats de la discrimination mélodie revanche moins les essais contrôlés auditifs pour un seul participant à la session IRMf pré-TMS (A) et à la session de l'après-TMS IRMf (B). De gauche à droite: coupes axiales, coronales et sagittales. Dans les deux cas (A) et (B), la bobine TMS vise le droit gyrus Heschl (cercle noir) situé à x = 54, y = -13, z = 1 (MNI152 espace standard). Pour les deux sessions de pré-et post-TMS IRMf, les coordonnées sont affichées en x = -54, y = -13, z = 1 (MNI152 espace standard) pour montrer les changements dans l'hémisphère gauche sur le site de stimulation (gyrus droit soit Heschl ). C. Résultats de l'opposition post-moins sessions IRMf pré-TMS à l'aide de Student t-test apparié.

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Discussion

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Nous décrivons un protocole combinant TMS hors ligne et l'IRMf pour étudier l'organisation fonctionnelle du cortex auditif. Dans les sections suivantes, nous allons étudier les facteurs méthodologiques à considérer lors de la réalisation de ces approches.

Acquisition et le calendrier de l'après-TMS session de l'IRMf

Afin d'acquisition et de contrebalancer les analyses de sessions IRMf pré-et post-TMS

Il est e...

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Déclarations de divulgation

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Aucun conflit d'intérêt déclaré.

Remerciements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

CIBC bourse (JA) et subvention du CRSNG (RZ). Nous sommes reconnaissants à M. Roch Comeau (Brainsight) pour son aide en ce qui concerne la caméra infrarouge, les trackers compatibles IRM et le soutien d'autres matériels. Nous sommes également reconnaissants à Brian Hynes (Hybex Innovations Inc) qui a conçu le bras multi-articulé pour porte-bobine et a fourni quelques-uns des chiffres qui s'affichent dans la vidéo. Et un grand merci à tous les techniciens MR et M. Ferreira du Centre d'imagerie cérébrale McConnell de l'Institut neurologique de Montréal qui nous ont aidés optimisation de la conception de l'expérience.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Nom du produit Type Entreprise
La stimulation magnétique transcrânienne Magstim super-Rapid2 stimulateur, Rapid-2 Plus One Module Magstim Ltd, Pays de Galles, Royaume-Uni
Bobine de stimulation magnétique Compatible avec l'IRM 70 mm figure en huit-bobine Magstim Ltd, Pays de Galles, Royaume-Uni
Imagerie par résonance magnétique 3-T scanner Trio Siemens, Bobine Head à 32 canaux Siemens, Inc, Allemagne
La stéréotaxie sans cadre Brainsight Rogue Research Inc, Montréal, Canada
Système de mesure optique Polaris Spectra Northern Digital Inc, Ontario, Canada
Multi-bras articulé pour porte-bobine Standard Hybex Innovations Inc, Anjou, Canada
Écouteurs Insérer compatible avec l'IRM Sensimetrics, modèle S14 Sensimetrics Corporation, MA, USA

Références

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Mots-clés

IRM fonctionnelleneuronavigation TMSt che de discrimination m lodiqueconnectivit fonctionnellegyrus de Heschelplasticit corticaler organisation des r seaux c r brauxstimulation magn tique transcranienne

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