Stimolazione cerebrale dipendente dallo stato del cervello con stimolazione magnetica transcranica in tempo reale

Il metodo combina EEG e TMS per la stimolazione cerebrale dipendente dallo stato cerebrale in tempo reale. Ciò consente alle particelle TMS di essere sincronizzate con una fase specifica di oscillazioni cerebrali endogene in corso. La stimolazione cerebrale è una tecnica per modulare il cervello sincronizzando i singoli impulsi TMS con uno specifico stato cerebrale definito dall'EEG.

L'effetto della stimolazione può essere ottimizzato. Il TMS standard è già usato per trattare malattie neurologiche e psichiatriche come ictus e depressione. Il TMS sincronizzato con EEG ha il potenziale per migliorare i risultati del trattamento utilizzando protocolli di stimolazione personalizzati.

Usiamo anche TMS sincronizzato con EEG per indagare la neurofisiologia di base delle oscillazioni cerebrali nell'uomo confrontando gli effetti che gli stimoli hanno che sono identici ma vengono applicati durante diversi stati cerebrali. Gli effetti possono essere sottili e sono facilmente lavati da altre fonti di variabilità sperimentale. Abbiamo scoperto che la bassa intensità di stimolo funziona meglio per osservare l'effetto del ritmo motorio sensoriale sull'eccitabilità spinale corticale.

Per condurre un esperimento a circuito chiuso l'attività cerebrale viene registrata attraverso i potenziali EEG dalla superficie del cuoio capelluto che sono digitalizzati da un amplificatore EEG. Il segnale passa quindi all'unità principale EEG e da lì al dispositivo in tempo reale che controlla lo stimolatore, chiudendo così il ciclo del segnale tra la misurazione e la modulazione dell'attività cerebrale. Il dispositivo in tempo reale analizza le oscillazioni EEG e invia un segnale di innesco allo stimolatore TMS quando viene soddisfatta una condizione di trigger predeterminata per passare un breve impulso di corrente attraverso la bobina TMS che viene posizionata sulla testa.

Durante l'esperimento la posizione della bobina sulla testa sarà monitorata con un dispositivo di neuro-navigazione. Collegare l'uscita in tempo reale del sistema EEG all'ingresso del dispositivo in tempo reale e collegare l'uscita del dispositivo in tempo reale all'ingresso trigger dello stimolatore TMS. Registrare il partecipante allo studio nel sistema, assicurandosi che il protocollo corrisponda al layout del tappo EEG e che i canali pertinenti siano inviati all'output in tempo reale.

Sul computer che controlla il dispositivo in tempo reale caricare il software per controllare il dispositivo in tempo reale e assicurarsi che i canali di ingresso in tempo reale corrispondano alla configurazione del sistema EEG. Quindi accendere lo stimolatore TMS e impostare la configurazione sull'attivazione esterna. Per monitorare la posizione della bobina e ottenere un targeting TMS accurato e coerente all'interno e tra le sessioni caricare i singoli dati strutturali della risonanza magnetica nel software del sistema di navigazione prima di iniziare l'esperimento per ogni partecipante.

Quindi attaccare un localizzatore di bobine alla bobina di stimolazione e calibrare la bobina. Quando il sistema è pronto, posizionare un cappuccio EEG di dimensioni appropriato sulla testa del partecipante allo studio e utilizzare il metro per posizionare correttamente il cappuccio. Spingere i capelli da parte in modo che il cuoio capelluto sia visibile e preparare il cuoio capelluto con un'applicazione di gel abrasivo.

Applicare quindi il gel conduttivo agli elettrodi e verificare che le impedenze degli elettrodi EEG siano inferiori a cinque kiloohm. Coprire il cappuccio EEG con un involucro di plastica e montare un cappuccio in rete sopra l'involucro di plastica per mantenere i cavi in posizione fissa per ridurre la variabilità dell'artefatto EEG. Quindi applicare il nastro adesivo per aumentare la stabilità dei più strati e rastreppere un inseguitore di teste riflettente sulla testa del soggetto per garantire stabilità durante l'esperimento.

Attaccare gli elettrodi EMG di superficie ai muscoli bersaglio puliti e abrasi e ispezionare visivamente i segnali EEG ed EMG in corso alla ricerca di elettrodi cattivi. Tenere i cavi bipolari EMG vicini e vicini al corpo del partecipante allo studio per ridurre il prelievo del rumore di linea. Quindi utilizzare lo strumento puntatore per co-registrare il modello di testa con i punti di riferimento anatomici pertinenti e individuare le posizioni dei sensori EEG per consentire la successiva stima delle singole fonti dell'attività EEG.

Per eseguire un esperimento TMS sincronizzato con EEG in tempo reale, determinare prima la posizione esatta in cui il TMS della corteccia motoria evoca la risposta motoria più forte dai muscoli delle mani. Quindi contrassegnare questo hotspot e la posizione della bobina nel software di neuro-navigazione. Quindi fissare la testa del soggetto con un cuscino sottovuoto e fissare la bobina nella posizione dell'hotspot con un braccio meccanico.

Per determinare l'intensità di stimolazione della soglia regolare gradualmente l'intensità di stimolazione fino a quando il 50% degli impulsi TMS si traducono in una risposta motoria. Qui l'intensità è stata impostata sul 110% dell'intensità della soglia. Per configurare il sistema in tempo reale per combinare più canali EEG per estrarre un'oscillazione specifica, utilizzare un filtro slavo laplaciano a cinque canali centrato sull'elettrodo C3 per estrarre il ritmo sensoriale del motore.

Per attivare il TMS al picco positivo o negativo di questa oscillazione, impostare la condizione di trigger di fase sulla fase zero o sulla fase pi in modo casuale per ogni prova prima di armare il dispositivo in tempo reale e impostare la sequenza da ripetere su un ciclo ogni due secondi. Quindi eseguire l'esperimento per circa 10 minuti per acquisire un numero sufficiente di prove per differenziare gli effetti di stimolazione specifici della fase. Durante l'esperimento la posizione della bobina sarà monitorata sul sistema di neuro-navigazione e i segnali EEG ed EMG saranno monitorati sul sistema EEG.

I dati grezzi così come l'EEG pre-stimolo e la risposta muscolare post-stimolo per ogni condizione sono visualizzati anche sul sistema EEG. Il dispositivo in tempo reale eseguirà il filtraggio spaziale per indirizzare la regione cerebrale di interesse e il filtro passa banda per isolare l'oscillazione di interesse, stimando l'ampiezza istantanea e la fase utilizzando la previsione in avanti autoregressiva e la trasformata di Hilbert. Questo segnale viene quindi confrontato con la condizione di innesco.

Se la soglia di potenza e le condizioni di fase sono soddisfatte, lo stimolatore viene attivato. Utilizzando le medie di corsa online visualizzate, l'accuratezza del targeting di fase e l'effetto della fase sulla risposta muscolare possono essere stimati durante l'esperimento. In queste cifre viene mostrato un segnale EEG medio pre-stimolo nei 400 millisecondi prima dell'impulso TMS per tre condizioni predefinite e potenziali medi evocati dal motore evocato registrati dai muscoli della mano destra.

Nel complesso questi risultati dimostrano che la deflessione EEG negativa del micro-ritmo corrisponde ad uno stato di eccitabilità corticale più elevato che porta ad ampiezze potenziali evocate dal motore più grandi rispetto alla deflessione EEG positiva con una bassa variabilità inter-trial dei noti effetti di eccitabilità corticospinale. Abbiamo bisogno di un segnale EEG stabile e pulito. La chiave è un partecipante allo studio ben preparato che è rilassato, confortevole e in grado di stare fermo.

Questo è un metodo plug and play facile da usare per indagare se gli stati di connettività corticale su larga scala hanno effetti causali negli esperimenti basati sulla perturbazione. Guardando un'oscillazione localizzata, questo è solo il primo passo. Siamo stati in grado di utilizzare i risultati di questa tecnica per dimostrare che il TMS ripetitivo ha un picco negativo dei risultati delle oscillazioni sensoriali del motore in corso e un potenziamento a lungo termine come la plasticità.

TMS è una procedura sicura e indolore. Un effetto collaterale molto raro è una crisi epilettica nelle persone vulnerabili e occasionalmente può verificarsi un lieve mal di testa temporaneo.