Valutazione dell'ipereccitabilità cerebrale con la stimolazione magnetica transcranica e l'elettroencefalografia

Abstract

Fonte: Shafi, M. M., et al. Un metodo basato sull'imaging multimodale e sulla stimolazione per valutare l'eccitabilità cerebrale correlata alla connettività nei pazienti con epilessia. J. Vis. Exp. (2016)

Il video mostra la procedura per l'utilizzo della stimolazione magnetica transcranica (TMS) e dell'elettroencefalografia (EEG) per valutare l'eccitabilità neuronale nei pazienti con epilessia. Descrive in dettaglio i passaggi per allineare la testa del paziente con una scansione cerebrale preregistrata, posizionare la bobina TMS su un bersaglio corticale funzionalmente connesso e applicare la stimolazione per attivare i circuiti neurali. Il processo include il monitoraggio delle risposte motorie, la registrazione dei segnali EEG e il confronto dell'attività cerebrale con quella dei controlli sani per identificare l'ipereccitabilità e localizzare la zona di insorgenza delle crisi.

Protocollo

Tutte le procedure che coinvolgono partecipanti umani sono state eseguite in conformità con le linee guida istituzionali, nazionali e internazionali per il benessere umano e sono state esaminate dal comitato di revisione istituzionale locale.

1. Selezione del soggetto

1. Selezione del paziente per il protocollo di ricerca.
   1. Identificare i pazienti con epilessia attiva (convulsioni nell'ultimo anno) o una storia di epilessia remota (convulsioni precedenti, ma senza convulsioni negli ultimi cinque anni con o senza farmaci) ed eterotopia nodulare periventricolare all'imaging cerebrale strutturale.
   2. Escludere i pazienti senza alcuna storia di convulsioni. Inoltre, escludere i pazienti con possibili eziologie alternative per le convulsioni (ad esempio, una storia di lesione cerebrale traumatica, ictus, meningoencefalite) o con risultati EEG coerenti con una diagnosi alternativa (ad esempio, epilessia generalizzata idiopatica, epilessia del lobo temporale mesiale).
   3. Escludere i pazienti con ulteriori malattie neurologiche o psichiatriche o con qualsiasi altra condizione medica instabile. Inoltre, escludere i pazienti con una storia di precedenti interventi chirurgici al cervello, incapacità di tollerare la risonanza magnetica (MRI), uso recente di sostanze illecite o alcol pesante o una controindicazione specifica alla risonanza magnetica o alla TMS.
2. Selezione sana del soggetto di controllo.
   1. Per ogni paziente con eterotopia nodulare periventricolare (EPN) (nel nostro studio pubblicato in precedenza, 8 pazienti, età compresa tra 20 e 43 anni media 30,25; 3 maschi, 5 femmine), identifica un controllo sano abbinato per età e sesso.
   2. Escludere soggetti con qualsiasi malattia neurologica o psichiatrica in corso o che assumono farmaci psicoattivi, qualsiasi altra condizione medica instabile, una storia di precedenti interventi chirurgici al cervello, incapacità di tollerare la risonanza magnetica, l'uso di sostanze illecite o alcol pesante o qualsiasi altra controindicazione specifica alla risonanza magnetica o alla TMS.

2. Generazione dei bersagli di stimolazione

1. Utilizzando un sistema di risonanza magnetica 3T, acquisire fette strutturali dell'intero cervello ad alta risoluzione utilizzando una sequenza pesata in T1. Utilizzare i seguenti parametri di acquisizione: 128 fette per lastra, una matrice 256 x 256, campo visivo (FOV) 256 mm, spessore fetta 1,33 mm con intersezione di 0,63 mm, dimensione voxel 1 x 1 x 1,33 mm³, tempo di ripetizione (TR) 2.530 msec, tempo di inversione 1.100 msec, tempo di eco (TE) 3,39 msec, angolo di ribaltamento 7°.
2. Utilizzando un sistema di risonanza magnetica 3T, è possibile acquisire immagini funzionali in stato di riposo utilizzando una sequenza ecoplanare sensibile al contrasto BOLD-dipendente dal livello di ossigenazione del sangue (BOLD). Durante l'esecuzione di questa scansione, istruire i pazienti a riposare tranquillamente con gli occhi aperti senza eseguire alcun compito specifico. Utilizzare i seguenti parametri di acquisizione: FOV 256 mm, dimensioni voxel 2,0 x 2,0 x 2,0 mm, TR 6.000 msec, TE 30 msec, angolo di rotazione 90°, tempo di acquisizione 6,4 min.
3. Utilizzando il software MRICroN, è possibile identificare ogni regione discreta dell'eterotopia nodulare (ogni singolo nodulo o un cluster contiguo inseparabile di noduli). Usa lo strumento Penna per delineare manualmente le regioni di interesse eterotopiche (ROI), sezione per fetta nel piano assiale su immagini strutturali pesate in T1.
4. Utilizza il toolbox del software di connettività funzionale CONN per eseguire quattro passaggi sequenziali nell'elaborazione dei dati funzionali in stato di riposo: configurazione, pre-elaborazione, analisi e risultati.
   1. Per l'installazione, usa le scelte del menu per iniziare un nuovo progetto e inserire le informazioni di base dell'esperimento. Caricare le immagini funzionali, riallineate e co-registrate alle immagini anatomiche per ogni soggetto.
   2. Caricare le immagini strutturali. Carica i file ROI eterotopi creati nel passaggio 2.3. Inserire i dettagli della condizione sperimentale; Poiché si tratta di uno stato di riposo, inserire una singola condizione con inizio 0 secondi e durata uguale alla durata completa di ogni sessione. Il toolbox estrarrà le serie temporali eterotopiche ROI BOLD. Ispezionare per eventuali incongruenze.
   3. Per il pre-processing, le fonti confondenti di variazione BOLD includono le modulazioni indotte dalla respirazione del campo magnetico principale e le pulsazioni cardiache, nonché il movimento del soggetto. Rimuovi i fattori confondenti tramite il metodo integrato basato sui componenti principali che analizza i dati delle serie temporali provenienti da regioni che difficilmente possono essere associate all'attività neurale, come ventricoli e grandi vasi, per identificare i processi fisiologici di rumore. Visualizza in anteprima la varianza totale spiegata da ciascuna delle possibili fonti di confusione. Applicare un filtro di frequenza passa-banda (0,01 Hz < f < 0,1 Hz) e il livellamento gaussiano (6 mm di larghezza completa a metà del massimo).
      NOTA: Per impostazione predefinita, la cassetta degli attrezzi identificherà le fonti di possibili fattori confondenti, incluso il segnale BOLD dalla sostanza bianca e dal liquido cerebrospinale e i parametri di riallineamento (movimento del soggetto).
   4. Per l'analisi e i risultati, identificare le fonti di interesse come i ROI dell'eterotopia. Visualizza in anteprima la misura della connettività della correlazione (anziché della regressione) e visualizza utilizzando i valori di soglia per i coefficienti di correlazione.
      1. Per ogni soggetto, crea mappe di connettività da seme a voxel utilizzando ogni regione discreta di materia grigia eterotopica come ROI seme, dimostrando la correlazione tra la serie temporale media del segnale BOLD del ROI e ogni altro voxel cerebrale.
      2. Eseguire analisi di secondo livello per contrasti tra soggetti o tra fonti (opzionale). Visualizzare i risultati utilizzando le soglie di altezza (a livello di voxel) e di estensione (a livello di cluster); Vengono mostrati i valori p corretti per il tasso di scoperta non corretta e falsa.
5. Utilizzare il software MRICroN per delineare manualmente due target di interesse, un target connesso e un target non connesso, per TMS, utilizzando lo strumento Penna. Utilizzando la funzione "Sovrapponi", sovrapponi le mappe di connettività funzionale create sopra alle immagini strutturali per ogni soggetto.
   1. Assicurati che la regione target sia una regione della corteccia che ha una connettività funzionale significativa all'eterotopia della materia grigia come descritto sopra. Assicurarsi che il bersaglio non connesso sia una regione di dimensioni simili che non dimostri una connettività funzionale significativa a qualsiasi ROI eterotopica e si trovi ad almeno 2,5 cm di distanza dal bersaglio connesso sulla superficie corticale per ridurre al minimo il rischio di effetti di stimolazione del vicinato durante la TMS.
   2. Scegliere obiettivi in modo tale che la probabilità di grandi artefatti indotti da TMS sia piccola. In particolare, evitare di selezionare bersagli nelle regioni temporali laterali o frontopolari, poiché è probabile che producano grandi contrazioni muscolari e/o artefatti di movimento oculare che possono oscurare il segnale TMS-EEG precoce. Salva gli obiettivi delineati come nuovi ROI target.
6. Determinare le coordinate MNI (Montreal Neurological Institute) per ogni ROI target in ogni soggetto. Quindi utilizzare queste coordinate per identificare i due siti target equivalenti nel soggetto di controllo sano abbinato di ciascun soggetto.

3. Configurazione sperimentale TMS-EEG

1. Carica le scansioni strutturali (in genere immagini volumetriche 3D pesate in T1 ad alta risoluzione) nel sistema di neuronavigazione.
2. Utilizzando il software di neuronavigazione, contrassegnare i bersagli desiderati sulle immagini. Segnare anche i marcatori anatomici esterni (la nasion, il trago bilaterale) che verranno utilizzati per la coregistrazione e la neuronavigazione durante la sessione di stimolazione. Se si utilizza una cuffia EEG con elettrodi girevoli e fili di elettrodi, orientare i fili perpendicolarmente all'asse lungo della bobina TMS52.
3. Contattare il soggetto prima della sessione sperimentale per ricordargli di non utilizzare balsami o altri prodotti per capelli (lo shampoo è accettabile) il giorno della sessione TMS-EEG, di evitare bevande alcoliche la sera prima della sessione TMS-EEG e di bere il suo abituale consumo quotidiano di caffeina prima della sessione TMS.

4. Sessione sperimentale

1. Confermare che il soggetto superi i criteri di sicurezza TMS, idealmente tramite un questionario strutturato. Confermare che il soggetto non ha consumato bevande alcoliche la notte precedente, non ha bevuto significativamente più o meno del suo abituale consumo quotidiano di caffeina, non ha consumato ausili per il sonno da banco che alterano l'eccitabilità corticale (come la difenidramina) la notte precedente e ha ricevuto un sonno notturno tipico (poiché la privazione del sonno può aumentare l'eccitabilità corticale).
2. Chiedi al soggetto di sedersi su una sedia comoda.
3. Montare la cuffia EEG sul soggetto e preparare gli elettrodi.
   1. Misura la testa del soggetto e seleziona un cappuccio EEG di dimensioni appropriate per aiutare a consentire basse impedenze degli elettrodi.
   2. Pulire accuratamente la pelle sotto ogni elettrodo utilizzando un applicatore con punta di cotone e alcol.
   3. Aggiungere gel conduttivo a ciascun elettrodo. Non aggiungere troppo gel in modo che fuoriesca tra gli elettrodi, poiché ciò potrebbe creare un ponte e portare a un segnale comune tra elettrodi diversi.
   4. Se necessario, per garantire un buon contatto tra il cuoio capelluto, il gel e l'elettrodo, provare a premere su ciascun elettrodo dopo aver aggiunto il gel. Per ridurre al minimo gli artefatti di carica, assicurarsi che il gel non si diffonda al di fuori del portaelettrodo. Riduzione omogenea dei livelli di conduttanza per ridurre al minimo gli artefatti di registrazione.
   5. Posizionare gli elettrodi di riferimento e di terra il più lontano possibile dalla bobina di stimolazione per ridurre al minimo la possibilità che gli artefatti dell'elettrodo indotti dal TMS contaminino l'intera registrazione. È preferibile posizionare questi elettrodi sopra le strutture ossee, in zone presumibilmente "inattive" con attività corticale minima.
      NOTA: Anche negli studi per i quali le posizioni target sono variabili, è improbabile che le regioni frontopolari vengano selezionate come bersagli perché la TMS a queste regioni può provocare ampi movimenti oculari, contrazione del frontale e dei muscoli facciali, e, frequentemente, dolore al cuoio capelluto e mal di testa; di conseguenza, il segnale TMS-EEG durante la stimolazione di queste regioni è spesso oscurato da grandi artefatti.
   6. Poiché è improbabile che queste regioni vengano scelte come bersagli per la stimolazione, utilizzare la fronte per il posizionamento degli elettrodi di riferimento e di terra. Posizionarli a pochi centimetri l'uno dall'altro per ridurre al minimo il rumore di modo comune.
      NOTA: In situazioni in cui tutti i bersagli di stimolazione si trovano in un emisfero, la mastoide controlaterale sarebbe un'altra opzione.
   7. Controllare le impedenze degli elettrodi come segue: collegare i cavi di uscita EEG alla presa "impedenza" del sistema di registrazione EEG, quindi premere il pulsante "misura impedenze" sul sistema EEG. Assicurarsi che l'impedenza dell'elettrodo non sia superiore a 5 kΩ.
4. Preparare gli elettrodi EMG sulla mano controlaterale (utilizzare il primo muscolo interosseo dorsale o abduttore breve del pollice; utilizzare lo stesso muscolo tra i soggetti in un singolo studio).
5. Fornire al soggetto tappi per le orecchie per ridurre al minimo il rischio di perdita dell'udito e acufene.
   NOTA: Un'altra opzione sarebbe quella di utilizzare auricolari che riproducono rumore bianco o rumore colorato (con caratteristiche spettrali corrispondenti a quelle del clic TMS) durante tutto il processo di registrazione, a un volume sufficiente a mascherare il clic uditivo prodotto dal TMS; questo avrebbe l'ulteriore vantaggio di ridurre al minimo la potenziale confusione dei potenziali evocati uditivi indotti dalla TMS. Da notare, è necessario anche un sottile strato di schiuma tra la bobina e il cuoio capelluto per ridurre al minimo il potenziale evocato uditivo.
6. Posizionare i rivelatori a infrarossi sulla testa del soggetto, assicurandosi che i rivelatori siano posizionati in modo da ridurre al minimo il rischio di movimento durante la sessione sperimentale.
7. Coregistrare la testa del soggetto con le immagini MRI identificando la posizione dei marcatori anatomici anatomici esterni preselezionati (sezione 3.2) sul soggetto utilizzando il puntatore incluso con l'apparecchiatura di neuronavigazione.
8. Familiarizzare il soggetto con la stimolazione applicando un impulso altrove (ad esempio, il braccio del soggetto) o applicando un impulso di stimolazione a bassa intensità (ad esempio, 5% di potenza massima dello stimolatore) sul cuoio capelluto.
9. Determinare la soglia del motore a riposo (l'intensità minima che produce un potenziale evocato dal motore di almeno 50 μV su prove 5/10). Uno di questi metodi, il metodo della frequenza relativa, è il seguente.
   1. Determina la posizione della corteccia motoria del soggetto sull'emisfero omolaterale ai bersagli basati sulla connettività fMRI. Quando si utilizza la neuronavigazione, questa è generalmente nella regione dell'"Omega" nel giro precentrale. Inclinare la bobina perpendicolarmente al giro, con l'impugnatura rivolta occipitalmente.
   2. Iniziare la stimolazione a un'intensità che si prevede sia inferiore alla soglia (ad esempio, 35% della potenza massima dello stimolatore).
   3. Aumentare l'intensità della stimolazione in incrementi del 5% della potenza massima dello stimolatore fino a quando la TMS evoca costantemente potenziali evocati motori (MEP) con ampiezze > 50 μV in ogni prova.
   4. Quindi diminuire l'intensità della stimolazione in incrementi dell'1% della potenza massima dello stimolatore fino a quando non vengono registrate meno di 5 risposte positive su 10.
      NOTA: Questa intensità di stimolazione più 1 è definita come la soglia motoria. In alternativa, utilizzare tecniche di soglia adattiva per identificare la soglia motoria con meno stimoli.
10. Per la stimolazione delle aree target, impostare l'intensità TMS sul valore desiderato (ad esempio, soglia motoria a riposo del 120%).
    NOTA: Tuttavia, nei casi in cui vi sono variazioni regionali significative nella distanza cuoio capelluto-corteccia (ad esempio, in pazienti con atrofia del lobo frontale), tale tecnica può comportare una stimolazione sottosoglia. In alternativa, con opportuni sistemi di neuronavigazione in grado di eseguire stime online del campo elettrico indotto, l'intensità della stimolazione può essere impostata anche ad una specifica ampiezza del campo elettrico indotto calcolato (in V/m) sulla superficie corticale.
11. Applicare singoli impulsi di TMS a ciascuna delle regioni target utilizzando il software di neuronavigazione, con un intervallo variabile tra gli impulsi per ridurre al minimo la plasticità corticale e gli effetti dell'aspettativa del soggetto (ad esempio, ogni 4 - 6 secondi, con un intervallo di almeno 3 secondi per evitare effetti cumulativi). Per massimizzare la coerenza, inclinare la bobina perpendicolarmente all'asse lungo del giro sottostante, con l'impugnatura puntata posterolateralmente.

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