Articolo metodologico

Stimolazione magnetica transcranica combinata e l'elettroencefalografia della corteccia prefrontale dorsolaterale

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DOI:

10.3791/57983

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17 agosto 2018

 ,  ,  ,  , 
1Temerty Centre for Therapeutic Brain Intervention at the Centre for Addiction and Mental Health, 2Department of Psychiatry and Institute of Medical Science, Faculty of Medicine, University of Toronto

In questo articolo

Sommario

Il protocollo presentato qui è per gli studi di TMS-EEG che utilizzano paradigmi di progettazione di eccitabilità intracorticale test-retest. L'intento del protocollo è quello di produrre misure di eccitabilità corticale affidabile e riproducibile per la valutazione neurofisiologica funzionamento correlati agli interventi terapeutici nel trattamento delle malattie neuropsichiatriche come depressione maggiore.

Abstract

Stimolazione magnetica transcranica (TMS) è un metodo non invasivo che produce eccitazione neurale nella corteccia per mezzo di impulsi di campo magnetico breve, variabili nel tempo. L'iniziazione di attivazione corticale o sua modulazione dipende dall'attivazione di sfondo di neuroni della regione corticale attivato, le caratteristiche della bobina, la sua posizione e l'orientamento rispetto alla testa. TMS combinato con simultanea electrocephalography (EEG) e Neuronavigazione (nTMS-EEG) consente la valutazione dell'eccitabilità cortico-corticali e connettività in quasi tutte le aree corticali in maniera riproducibile. Questo anticipo rende nTMS-EEG un potente strumento che può valutare con precisione la dinamica del cervello e neurofisiologia in paradigmi di test-retest che sono necessari per i test clinici. Limitazioni di questo metodo includono manufatti che coprono la reattività di cervello iniziale alla stimolazione. Così, il processo di rimozione di artefatti può anche estrarre informazioni preziose. Inoltre, i parametri ottimali per la stimolazione (DLPFC) prefrontal dorsolateral non sono completamente noti e protocolli correnti utilizzano variazioni dai paradigmi di stimolazione della corteccia di motore (M1). Tuttavia, in continua evoluzione disegni nTMS-EEG sperano affrontare questi problemi. Il protocollo presentato qui introduce alcune procedure standard per la valutazione di funzionamento neurofisiologico da stimolazione a DLPFC che può essere applicato in pazienti con disturbi psichiatrici resistenti agli trattamento che ricevono il trattamento come la stimolazione transcranica corrente continua (tDCS), stimolazione magnetica transcranica ripetitiva (rTMS), terapia magnetica sequestro (MST) o terapia electroconvulsive (ECT).

Introduzione

Stimolazione magnetica transcranica (TMS) è uno strumento neurofisiologico che consente la valutazione non invasiva dell'attività neuronale corticale attraverso l'uso di impulsi di campo magnetico rapido, variabili nel tempo1. Questi impulsi di campo magnetico inducono una corrente debole nella corteccia superficiale sotto la bobina che provoca la depolarizzazione della membrana. La conseguente attivazione corticale o modulazione è direttamente correlata alle caratteristiche della bobina, l'angolo e l'orientamento al cranio2. La forma d'onda dell'impulso viene scaricata dalla bobina e lo stato sottostante dei neuroni influenzare anche l' attivazione corticale risultante3.

TMS consente la valutazione delle funzioni corticali evocando risposte comportamentali o motore o mediante l'interruzione del trattamento relative alle attività. L'eccitabilità dei processi cortico-spinale può essere valutata attraverso registrazione risposte elettromiografiche (EMG) ha suscitate da singoli impulsi TMS sopra la corteccia motoria, mentre intracortical eccitatorio (facilitazione intracorticale; ICF) e meccanismi inibitori (breve e lungo intracortical inibizione; SICI e LICI) può essere sondata con accoppiare-impulso TMS. TMS ripetitiva può disturbare vari processi cognitivi, ma è utilizzato principalmente come strumento terapeutico per una varietà di disordini neuropsichiatrici. Inoltre, la combinazione di TMS con simultanea elettroencefalografia (TMS-EEG) utilizzabile per valutare l' eccitabilità e la connettività cortico-corticale4. Infine, se l'amministrazione di TMS è consegnato con Neuronavigazione (nTMS), vi permetterà per preciso test-retest paradigmi quanto il luogo esatto della stimolazione può essere registrato. La maggior parte del manto corticale può essere mirata e stimolata (tra cui quelle aree che non producono risposte fisiche o comportamentali misurabili) così la corteccia può essere funzionalmente mappata.

Il segnale EEG evocato da singoli o accoppiati impulsi TMS può facilitare la valutazione della connettività cortico-corticale5 e lo stato attuale del cervello. La corrente elettrica indotta da TMS genera potenziali d'azione che è possibile attivare le sinapsi. La distribuzione delle correnti postsinaptiche possa essere registrata attraverso EEG6. Il segnale EEG può essere utilizzato per quantificare e localizzare distribuzioni correnti sinaptiche attraverso dipolo modellazione7 o minimo-norma stima8, quando è impiegato EEG multicanale e con la struttura di conducibilità della testa contabilizzata. TMS-EEG combinato può essere impiegato per studiare processi inibitori corticali9, oscillazioni10, cortico-corticali11 e interazioni interemisferica12e plasticità corticale13. La cosa più importante, TMS-EEG può sondare eccitabilità cambiamenti durante compiti cognitivi o motore con buon test-retest affidabilità14,15. D'importanza, TMS-EEG ha il potenziale per determinare segnali neurofisiologici che possono servire come i preannunciatori della risposta agli interventi terapeutici (rTMS o effetti farmacologici) in test-retest disegni16,17.

I principi di neuronavigazione per TMS si basa sui principi della stereotassi frameless. L'uso di sistemi un ottico di rilevamento sistema18 che si avvale di una telecamera che emettono luce che comunica con elementi ottici riflettenti collegati alla testa (tramite un tracker di riferimento) e la bobina TMS. Neuronavigazione consente la localizzazione di bobina sul modello 3D MRI con l'ausilio di una digitalizzazione strumento di riferimento o una penna. L'uso di neuronavigation facilita la cattura del bobina orientamento, posizione e allineamento per la testa del soggetto, nonché la digitalizzazione delle posizioni degli elettrodi EEG. Queste caratteristiche sono essenziali per gli esperimenti di progettazione di test-retest e accurata stimolazione di una posizione specificata all'interno della corteccia prefrontale dorsolaterale.

Al fine di utilizzare un protocollo di TMS-EEG in un esperimento di test-retest, ci deve essere targeting accurato e coerenza stimolazione della regione corticale per ottenere segnali affidabili. Registrazione TMS-EEG può essere vulnerabile a diversi artefatti. Il manufatto TMS indotta sugli elettrodi EEG possa essere filtrato con amplificatori che possono recuperare dopo un ritardo19,20 o con amplificatori che non possono essere saturi21. Tuttavia, fare clic su altri tipi di artefatto generato da movimenti oculari o lampeggia, l'attivazione dei muscoli cranici in prossimità degli elettrodi EEG, movimento casuale elettrodo e loro polarizzazione e dalla bobina o sensazione somatica dovrà essere presi in considerazione. Oggetto di un'attenta preparazione che assicura impedenze elettrodo sotto 5 kΩ, immobilizzazione della bobina sopra gli elettrodi e una schiuma tra bobina ed elettrodi per ridurre la vibrazione (o un distanziatore per eliminare gli artefatti di bassa frequenza22), tappi per le orecchie e anche mascheramento uditivo deve essere utilizzato per ridurre al minimo questi artefatti23. Il protocollo presentato qui introduce un processo standard per la valutazione neurofisiologica funzionamento quando la stimolazione è applicata sopra il prefrontale dorsolaterale (DLPFC). Il focus è sui comuni paradigmi di accoppiare-impulso che sono stati convalidati negli studi di M19,15,16.

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Protocollo

Tutte le procedure sperimentali qui presentate sono state approvate dal nostro comitato etico locale seguendo le linee guida della dichiarazione di Helsinki.

1. testa registrazione per Neuronavigated TMS — EEG

  1. Ottenere una testa tutta T1-weighted MRI strutturale di alta risoluzione per ogni partecipante. Scansione secondo le linee guida del produttore di neuronavigazione.
  2. Caricare le immagini sul sistema di navigazione. Verifica se MRIs vengono analizzati correttamente. Scegliere i punti cardinali (punti pre-auricolari, il nasion e la punta del naso). Inserire gli obiettivi di stimolazione (basato sull'anatomia o sulla testa coordinate, MNI o Talairach coordinate).
  3. Posizionare il tracker testa in tale maniera in modo che non muoversi durante la seduta di stimolazione e consentire la libera commovente della bobina TMS. Hanno l'inserto partecipante i tappi per le orecchie, prima che inizi la registrazione.
  4. Allineare la testa del partecipante per il modello 3D di MRI. Toccare sulla testa del partecipante con la penna di digitalizzazione presso i punti cardinali che sono stati selezionati sulle immagini dello stack MRI. Selezionare e contrassegnare i punti supplementari sopra le zone parietali, temporali e occipitale della testa per ridurre l'errore di registrazione su quelle aree.
  5. Convalidare la registrazione. Posizionare la penna digitalizzazione sulla testa del partecipante. Verifica relativa rappresentazione sul computer. Se non è sul punto corrispondente nel signor, ripetere il punto 1.4.
  6. Calibrare la bobina TMS in uso (in alcuni sistemi, che questo passaggio non è necessario).
    1. Allegare il Tracker alla bobina.
    2. Posizionare la bobina sul blocco di calibrazione in modo tutti i tracker sono visibili dalla fotocamera.
    3. Premere il pulsante di calibrazione sullo schermo del computer e mantenere la bobina nella posizione di calibrazione per 5 s.

2. esperimento TMS-EEG

  1. Posizionare il tappo di EEG sulla testa e preparare gli elettrodi
    1. Scegliere un tappo che si adatta alla testa bene. Assicurarsi che tutti gli elettrodi sono strettamente a contatto del cuoio capelluto e sono funzionali. Se più di 2 elettrodi non funzionano, quindi utilizzare un altro tappo di dimensioni uguali o minori.
    2. Posizionare l'elettrodo Cz al vertice, a metà strada tra la linea che collega il nasion e inion e l'elettrodo di Iz sopra l'inion.
      Nota: Posizionare gli elettrodi verticali (sopra e sotto l'occhio controlaterale all'occhio di stimolazione) e/o orizzontali (sinistro dall'occhio di sinistra e destra da destra, un po' sopra ogni osso zigomatico) per elettrooculografia (EOG).
    3. Regolare la punta smussata della siringa e riempirla con gel elettroconduttori. Posizionare la punta all'interno del foro dell'elettrodo e quindi premere leggermente la flangia lo stantuffo fino a quando c'è qualche pasta sulla pelle. Macchia il cuoio capelluto leggermente con croce-come si muove con la punta smussata. Assicurarsi che la pasta non è fuoriuscita sopra la parte superiore per evitare di gettare un ponte (corto circuito tra gli elettrodi).
  2. Posizionare gli elettrodi EMG. Posizionare due elettrodi monouso disco (diametro di circa 30 mm) sopra il destra muscolo abduttore breve (APB) per un montaggio di tendine di pancia. Posizionare il terreno secondo le linee guida del produttore.
  3. Avviare la registrazione di testa. Seguire i passaggi 1.3-1.6. Utilizzare le coordinate MNI o Talairach della DLPFC.
  4. Hot spot e soglia del motore.
    1. Aggiungere una spugna (fibra artificiale effettuata in poliuretano) sotto la bobina al fine di minimizzare la vibrazione di bobina sopra gli elettrodi durante gli impulsi TMS. Si noti che la schiuma deve essere circa 10 mm di spessore.
    2. Indicare al partecipante di essere a riposo — confortevole e rilassate mani, gambe e colonna vertebrale.
    3. Trovare il punto caldo. Il motore manopola24 di destinazione come il limite iniziale della rappresentazione corticale di APB in M1 e spostare la bobina fino a quando c'è corrispondente movimento APB. Utilizzare intensità TMS che evoca i deputati di circa 500 µV sopra APB. Modificando l'angolo di inclinazione e di evocare la risposta più grande sopra il punto caldo, ottimizzare l'orientamento di bobina.
    4. Salvare la bobina posizionamento nel software neuronavigator e ridurre l'intensità di uscita in passi di 2 – 3%. Dare 10 impulsi e se più di 5 su 10 MEP risposte sono ottenute oltre 50 µV, quindi continuare a ridurre l'intensità.
    5. Quando sono meno di 5 su 10 risposte evocate, aumentare l'intensità a passi di 1 – 2%. MT è rappresentato come l'intensità che produce i deputati superiori a 50 µV 5 su 10 volte25. L'intervallo di Inter-stimolo (ISI) per MT deve essere più lungo di 1 s, solitamente fissato a 3, 4 o 5 s.
  5. Regolare l'intensità attenendosi alla seguente procedura:
    1. Inizio al 120% dell'intensità di MT produrre i deputati sopra M1 da 500 a 1.500 µV. registrare 10 impulsi con uscita di questo stimolatore quindi la risposta media è 1 mV. Aumentare o diminuire l'intensità in passi di 1 – 2% fino a raggiungere una media di 1 mV.
    2. Per intensità di stimolazione, scegliere l'intensità come output di una percentuale di stimolatore, ad es., 110%, 120%, ecc.
    3. Trovare il corrispondente campo indotto in V/m (se il sistema lo consente). Posizionare la bobina sulla DLPFC; regolare uscita dello stimolatore fino a quando il calcolo del campo indotto diventa identico a quello sopra M1 per la stessa profondità corticale.
  6. Digitalizzare gli elettrodi EEG, in modo che la loro posizione è registrata per l'anatomia del cervello.
    Nota: Questo è un passo molto importante per la distribuzione di attivazione neuronale di posizionamento e riposizionamento preciso degli elettrodi nella sessione di follow-up.
  7. Registrare il TMS-EEG
    1. Sostituire i tappi per le orecchie con i tappi per le orecchie con tubi aria per connettersi al mascheramento audio (ad es., rumore bianco) se disponibili e aggiungere le cuffie su di loro. Giocare il mascheramento audio solo durante la consegna di impulsi TMS.
      Nota: Questo passaggio può applicarsi al punto 2.4.2 senza giocare il mascheramento audio e con cura così il testa inseguitori non vengono spostati.
    2. Montare la bobina sul supporto della bobina e assicurarsi che la bobina non spostare o premere gli elettrodi sotto esso. Assicurarsi che la spugna è tra gli elettrodi e la bobina.
    3. Rimuovere tutti gli schermi attivi fuori dalla vista del partecipante. Dare istruzioni al partecipante per stare su un punto fisso, non per cambiare il suo posizione della testa durante la consegna TMS e non a lampeggiare tra gli impulsi TMS.
    4. Spegnere tutte le luci fluorescenti. Esegui singoli impulsi TMS, SICI, ICF e LICI in ordine casuale per ogni partecipante. Dare 100 impulsi singoli o coppia. Utilizzare vari ISI di 3 – 4 s (± 20%) o una costante di 3 – 5 s (vedere nota). Dare una pausa di 3 – 5 minuti tra ogni condizione così il partecipante può rilassare e allungare.
      Nota: ICF e SICI comportano un paradigma di accoppiare-impulso TMS con un stimolo condizionante sottosoglia (CS) e uno stimolo di prova di suprathreshold (TS). Il CS utilizzato in questo protocollo è 80% di MT e il TS all'intensità che evoca un 1 mV MEP picco-26. L'intervallo di interpulso utilizzato per SICI ottimale è a 2 ms e per ICF a 12 – 1327. Il paradigma LICI prevede l'abbinamento di un CS supra-soglia all'intensità che evoca il 1 mV MEP-picco seguito da un altro suprathreshold TS utilizzando nuovamente l'intensità che ha evocato un 1 mV MEP-picco e ad intervalli di 100 ms. interpulso ISI per entrambi i paradigmi impulso singolo o coppia è determinato dal tempo di carica dello stimolatore (il nostro sistema può consentire impulsi appaiati ogni 4 s), la quantità di sessioni (più esperimenti richiederebbe più piccoli ISI per non sovraccaricare i partecipanti) e l'analisi che è andare a prendere posto. In questo studio, abbiamo usato un ISI costante di 5 s a causa delle restrizioni di nostro stimolatore e anche perché ci sarebbe bisogno di diversi cicli di bassa frequenza di banda (ritmo theta) per l'analisi di spettro in tempo-frequenza e potenza.

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Risultati

Figura 1 A illustra le potenzialità di TMSevoked dopo stimolazione DLPFC sopra l'elettrodo F3 dopo una media di 100 epoche da ogni sessione per un volontario sano. In questa illustrazione, evidenziamo l'effetto del CS sulla TS rispetto alla condizione del singolo impulso quando TS è applicato da solo. Il CS modula la deflessione N100 in modo chiaro anche in un unico soggetto. Nelle sessioni di SICI e LICI, N100 è aumentata solitamente e in IC...

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Discussione

TMS-EEG consente la stimolazione diretta e non invadente della maggior parte delle aree corticali e l'acquisizione dell'attività neuronale risultante con buona risoluzione spazio-temporale30, soprattutto quando è utilizzata la neuronavigazione. Il vantaggio di questo progresso metodologico è basata sul fatto che segnali EEG TMS-evocato provengono dall'attività neurale elettrica ed è un indice dell'eccitabilità cortico-corticali. Questo ha un enorme potenziale in popolazioni di pazienti neuropsichi...

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Dichiarazioni

Pantelis Lioumis è stato un consulente pagato per Nexstim Plc. (Helsinki, Finlandia) di fuori del lavoro presentato (cioè., per il motore e applicazioni di rTMS mappatura discorso prima del 2017). Reza Zomorrodi è membro dell'advisory board di Vielight Inc (Toronto, Canada). Zafiris J. Daskalakis riceve il sostegno alla ricerca dalla Canadian Institutes of Health Research (CIHR), National Institutes of Health - noi (NIH), Weston Brain Institute, Canada di cervello e la famiglia di Temerty attraverso la Fondazione di CAMH e la ricerca di Campbell Istituto. Ha ricevuto il sostegno alla ricerca e supporto di apparecchiatura in natura per un studio avviati da Brainsway Ltd. e lui è il ricercatore principale sito per tre sponsor-avviato studi per Brainsway Ltd. Ha ricevuto il supporto di apparecchiatura in natura da Magventure per questo studio avviati. Daniel M. Blumberger riceve il sostegno alla ricerca dalla Canadian Institutes of Health Research (CIHR), National Institutes of Health - noi (NIH), Weston Brain Institute, Canada di cervello e la famiglia di Temerty attraverso la Fondazione di CAMH e la ricerca di Campbell Istituto. Ha ricevuto il sostegno alla ricerca e supporto di apparecchiatura in natura per un studio avviati da Brainsway Ltd. e lui è il ricercatore principale sito per tre sponsor-avviato studi per Brainsway Ltd. Ha ricevuto il supporto di apparecchiatura in natura da Magventure per questo studio avviati. Ha ricevuto il farmaco forniture per una prova avviati da Indivior. Ha partecipato a un comitato consultivo per Janssen.

Ringraziamenti

Questo lavoro è stato in parte finanziato dal NIMH R01 MH112815. Quest'opera è stata anche sostenuta dal Temerty Family Foundation, Grant Family Foundation e Campbell famiglia Mental Health Research Institute presso il centro per dipendenza e salute mentale.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
CED Micro1401-3Cambridge Electronic Design LimitedCED Micro1401-3Registratore di dati digitali
BISTIM'2 Pacchetto Opzione 1Magstim3234-00Stimolatore di impulsi accoppiato TMS
Unità Magstim 200'2 (2 articoli)Stimolatori TMS Magstim3010-00Controller
utenteMagstim3020-00Controller TMS
BISTIM'2 Controller UIMagstim3021-00Controller TMS Modulo di
collegamento BISTIMMagstim3330-00Modulo di collegamento TMS
D70 Alpha Coil - P/N 4150-00 (Alpha 70 mm doppia bobina)Magstim4150-00Bobina TMS
BrainsightRogue-ResolutionsBrainsight 2Neuronavigator
Modello 2024FIntronix2024FElettromiografo
Neuroscan SynAmps RT 64 canali SistemaCompumedics Neuroscan9032-0010-01Elettroencefalografo
Quick-Cap sistema di elettrodi 64Compumedics Neuroscan96050255EEG Cap
dell'interfaccia

Riferimenti

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