fMRIのガイド下経頭蓋磁気刺激中に記録された脳波データからの視覚誘発電位を抽出する

サマリー

本稿では、機能的磁気共鳴画像法（fMRI）を用いて明らかにした活性化によって案内同時経頭蓋磁気刺激（TMS）中に（EEG）データを収集し、脳波を分析するための方法が記載されている。事象関連電位のTMSアーチファクト除去や抽出のための方法は、パラダイムの設計と実験で説明しただけでなく、配慮されている。

要約

経頭蓋磁気刺激（TMS）は皮質領域と認知/神経生理学的効果との間の因果関係を確立するための有効な方法である。具体的には、標的領域の正常な活性を有する過渡的干渉を作成し、電気生理学的信号の変化を測定することによって、我々は刺激された脳領域またはネットワークと我記録電気生理学的信号との間の因果関係を確立することができる。ターゲット脳領域が機能的に前のfMRIスキャンで定義されている場合、TMSは、記録された誘発電位とfMRIのアクティベーションをリンクするために使用することができる。しかし、このような実験を行うことは重要な技術的な磁気パルスによって、EEG信号に導入された高振幅のアーティファクト与え課題、および首尾よく機能的にfMRIので定義されたエリアを対象とする難しさを示している。 TMS、脳波とfMRIを：ここでは、これらの3つの共通のツールを組み合わせるための方法論を説明します。我々は、刺激＆＃をガイドする方法を説明39、所望の標的領域へ​​のSコイル脳波-TMSの組み合わせ、どのように記録されたデータから、信頼性の高いERPを抽出するのに適したERPの研究をどのように設計するか、同時TMS中のEEGを記録する方法を、解剖学的または機能的MRIデータを用いた。我々は、fMRIの誘導TMS顔選択N1とERPのボディ選択N1成分が、線条皮質で明確なニューラルネットワークと関連していることを示すために、脳波と同時に使用された以前に発表された研究からの代表的な結果を提供します。この方法は、TMSと脳波の高時間分解能でのfMRIの高い空間分解能を組み合わせ、したがって、様々な認知過程の神経基盤の総合的な理解を得ることを可能にする。

概要

経頭蓋磁気刺激（TMS）は、脳の対象地域における通常の神経活動に瞬間的な干渉を発生させる。この一時的な神経障害を作成し、行動や生理的変化を測定することにより、我々は目標領域と測定された実験的な影響（検討のためにパスクアル·レオンらを参照してください。テイラーら ^1,2）の間の因果関係を描くことができます。このような実験的な効果としては、例えば、認知課題や電気生理学的（EEG）活性の変化のパフォーマンス。実際、近年の研究者が直接事象関連電位（ERP）や振動活動パターン（ 例えば ^2-7）で皮質領域を関連付ける脳波との組み合わせで、TMSを使用して開始している。 ERPの実験中のfMRI誘導TMS：この方法論の論文では、TMSと脳波を結合するための特定の有用なフレームワークについて説明します。まずは、FMによってあらかじめ定義された領域に、TMSを適用する方法を詳細になりますRI、EEGデータを記録しながら。次に、信頼性の高い、ERPの抽出を可能にする実験計画を説明します。このような実験の目的は、対象とするERPのコンポーネントに機能的MRIで明らかにしたリンク脳領域を因果的にすることです。最後に、我々は、fMRIので明らかにされ、顔や体の選択的領域と顔や体の選択的ERPを関連研究の具体的な例を与える。

fMRIのアクティベーションとEEG信号をリンクするメリットは何ですか？脳波とfMRIのは、視覚入力を皮質の応答を測定するために一般的に使用されるツールです。たとえば、Visual経路におけるカテゴリ選択性は、顔、体の部分、および書かれた言葉は、両方のEEGデータ^8,9、および機能的MRI ^10月12日から抽出されたERPを用いて、異なる視覚的なオブジェクトカテゴリについて評価した。これらの2の共通の研究ツールで測定された信号は、根本的に異なる性質の、しかし、である。脳波は素晴らしい時間的に神経の電気的活動についての情報を運ぶ精度が、非常に低い空間分解能とは、多数の別個の基礎となる情報源の混合物を反映することができる。 fMRIのは、刺激提示または/およびタスクの実行中に発生する低速な血行動態の変化に依存する神経活動の間接的な尺度を提供していますが、より高い空間分解能で、この活性を示す。 2施策との相関関係を確立することはこのように非常に関心があることができますが、それは、頭皮に記録電気生理学的反応と機能的MRIで明らかにしたエリア間の因果関係を意味するものではないという点で制限されています。 （ 例えば ^13〜15）を同時に測定した場合でも、脳波や機能的に定義された皮質領域の活動の間に方向性の因果関係を特定することはできません。 TMSは、そのような因果関係の確立を達成するお手伝いができるツールです。

同時EEG-TMSの研究は主に、EEG信号bに導入された高電圧アーティファクトによる方法論的に困難であるyは磁気刺激（Ilmoniemi ら ^16を参照して概説については、 図1を参照）。このアーティファクトは、多くの場合、パルスがこのように関心のあるほとんどのERPコンポーネントを無効にして、 図2（a）に配信された後に数百ミリ秒続くことが遅く、二次（または残留）アーティファクトが続く一過性の短生活パルス関連の障害、から構成されています。この二アーティファクトは、配線や皮膚におけるこれらの電流の低速減少に磁気パルスによって誘導された電流、およびこのような操作によって誘発された頭皮と聴覚や体性感覚誘発電位の上筋活動などの生理的要因などの機械的な情報源を含むことができコイル^17〜20。干渉の機械的な要因は、おそらく生理的なものよりも大きな振幅の成果物を生成するが、これらの異なる成果物を分離することができず、信号中のそれらのいずれかの存在は、結果を混乱させることができます。一つの可能​​なので、同時EEG-TMSとは対照的にlutionは、（「オフラインTMS」）を記録する前の脳波への反復的なTMSパルスの印加である。皮質活動上のそのようなプロトコルの阻害効果は、刺激後（半時間まで）、数分間持続し、EEGは、この効果的な時間窓の間に測定し、ベースライン、プレTMS、EEGデータと比較することができる。反復刺激は、しかし、パルスがミリ秒の分解能での試行開始に正確なタイミング角度で投与することができる場合、オンラインTMSは、提供することができる高い時間分解能を欠く定義である。反復刺激の効果はまた、所望のより広い領域にわたって皮質接続を介して伝播し、したがって、有意並びに空間分解能を減少させることができる。

TMSが提供できる空間および時間分解能の両方を活用するために、同時EEG-TMSの組み合わせを適用することができる。しかしながら、これは、アーチファクトの除去のための方法を必要とするEEG信号に対する磁気刺激によって生成される。全く方法が合意されていないものの、TMSアーチファクト除去のための非常にいくつかのオフライン数学のソリューションは^、16,21,22提案されており、誰も方法は、すべての実験計画には最適でないかもしれない。サンプル·ホールド回路からなる「クリッピング」のシステムもまた、瞬間的に、TMSパルス配信20時の脳波の取得を停止するために開発されました。この手法は、特殊なハードウェアを必要としますが、完全に残留TMSアーチファクトを除去することはできませんだけではなく。本論文では、ERPの研究のために特に適しThutと同僚¹⁹によって開発された脳波-TMS方法論の適応を説明します。 TMSパルスを図2に起因する全ての残留ノイズ成分を除去しながら、この技術は、ERPの信頼性の抽出を可能にする。我々は、さらに成功した脳波-TMS実験に向けた一般的なガイダンスを提供します。

TMS研究におけるもう1つの課題は、私に対処Nこの方法論論文では目的の皮質領域の正確なターゲティングのための最高のコイル位置と角度を見つけることです。我々は、事前取得機能的MRI画像と、被検者の頭部を定位coregisterするナビゲーションシステムの使用を説明する。ナビゲーションシステムは、解剖学的に定義された脳構造をローカライズするために使用することができるが、多くの機能と効果について実験的活性化の正確な位置は、単独で、解剖学的マーカーから推論することができないため、fMRIの誘導標的化は特に有用である。近隣のような機能的領域（ROI）については、領域の定義は、個別に各参加者のために作られている。

上記のすべてを説明するために、EEGは、fMRIのアクティベー⁷によって案内TMSと同時に記録された我々が以前に行われた研究の例を提供する。本研究では、二重の解離は、顔選択性と体選択性のERPとの間で行われた。ものの、顔と体のERPエンドウ各ERPの応答の基礎となる神経回路網を解離することができまし横後頭葉に個別に定義されている顔選択や体選択性の領域を対象に、同じレイテンシと電極のサイトを中心にkの。最後に、我々は、TMSの適用中に脳波記録を最適化するための、より一般的なアドバイスを提供しようとします。

プロトコル

実験は、2つの別々のセッションで行われる。最初のセッションの間に機能的MRI実験（ 例えば、官能ローカライザ）は個別被写体に基づいて所望のTMS対象領域を定義するために行われる。 fMRIの結果は、標的化のための正確な定位TMSナビゲーションシステムに供給される。第二セッションはEEGはTMSと同時に記録され、その間のfMRIデータの分析以下に保持される。ここで説明するプロトコルは、テルアビブSourasky医療センターの倫理委員会によって承認された。

本論文で示した例では、データはMATLABのバージョン7.7（R2008b）を用いて分析した。 SPMの23のためのMATLABとMarsBarツールボックスのための統計的パラメトリックマッピング（SPM 5）ソフトウェアは、fMRIのデータ処理のために使用された。

1。のfMRIセッションとfMRIのデータ解析

1. エコープラナーイメージング（EPI）シーケンを使用して機能的MRIのタスクを実行E TMSの標的とされる活性化の目的の焦点を決定することができる。下記の例のようなOFAやEBAなどの隣接領域との間でより良い解離のために、高解像度のスキャンをお勧めします。 8チャネルまたは複数のMRI頭部コイルで得られた3から^3mm以下のボクセルは、隣接する領域の輪郭を描くために十分である。
2. 神経解剖学的データを得るためにT1強調構造的なスキャンを実行します。画像（鼻の先端など ）上の外部のマーカーは、後のスキャンで被験者の頭をcoregisterするために使用されるので、参加者の顔が完全に、このスキャンの視野に含まれていることを確認してください。
3. データ収集後、実験条件間のコントラストに基づいて所望の関心の脳領域を定義するために、SPMのためMarsBarツールボックスを使用しています。コントラストが後頭部フェイス面積（OFA）を定義する>オブジェクトに直面し、使用ボディ> Extrastirateボディエリア（EBA）を定義するオブジェクト。さらに目を確保するために、2皮質のターゲットは、各ROIの他の実験条件（EBAから顔ボクセルを除外し、OFAからボディボクセル）への対応の任意のボクセルをマスクする（MarsBar中）、使用「連動」機能的に区別されるで。
4. SPMを使用して、機能的なスキャンと、構造のT1画像をCorregister。
5. ナビゲーションシステムにアップロードするために、携帯用のドライブに、構造的なスキャンのファイルだけでなく、関連する機能、コントラストのファイルをコピーします。

2。ERP抽出を可能にしますEEG-TMS実験のためのパラダイムの準備

以下のセクションで説明すると、信頼性が高く、複製可能な事象関連電位¹⁹の抽出を可能にする方法でTMS適用中にEEGデータを収集する方法である。この技術の利点は、それが容易に二次的、長期持続、TMSアーチファクトを処理することで、さらに可能にするのに十分に頑強である右TMS cの下に位置する電極でのデータの復元アーティファクトが最も高い電圧と最も長い持続時間であるオイル、。

1. パラダイムの組織
   1. 別々のブロックに異なるTMS条件（異なるターゲット脳領域だけでなく、非TMS条件）を実行します。
   2. 各ブロック内でランダムにイベント関連のデザイン内のすべてのスティミュラス条件（ 例えば顔、オブジェクト、シーンなど）で参加者を提示する。
   3. より良い、ERPの品質とTMSノイズテンプレートの（下）の条件ごとに少なくとも50トライアルにご注意ください。
2. 画像発症後に所望の潜時にTMSパルス/パルスのタイミングを設定します。これは、ケーブルは、TMS刺激に行く、そこからパラレルポートへの書き込みを介して行われます。この機能は、MATLABの24やE-総理ためPsychtoolbox（バージョン2または3）のような心理実験、（ 材料表を参照）ほとんどのソフトウェアで提供されています。刺激（パルス）を低減するジッタ間の刺激間隔（ISI）予測可能性（例）各ISIでの0から500ミリ秒の間のランダムな値を追加します。
3. 追加の空白の画面の状態を準備します。
   1. TMSは、同じ強度ではなく、画面上の無刺激提示に適用される時に試験を準備します。これらの空白の画面のTMS試験は視覚刺激のない状態でのTMSアーチファクトテンプレートを計算するために提供されます。
   2. ブロック内の実験条件のいずれか一つの繰り返し数と同一であることがブランク試験の繰り返し回数を設定する。
   3. TMS残留アーティファクトの形状を正確に表現するために、むしろ先頭または末尾に、それらすべてを提示するよりも、ブロック全体を通してのブランク試験をランダム化する。

3。脳波とニューロナビゲーションシステムの設定、および実験を行う

個別に定義されたROIの標的に正確なTMSは、定位ナビの使用が可能です。赤外線カメラ、参加者の頭部に装着赤外線センサ、専用のソフトウェアで構成されるgationシステム。

1. TMSの安全基準に基づいて画面の参加者。てんかんの自己または家族歴の参加対象から除外し、他の神経学的条件または頻繁偏頭痛、および向精神薬に関する被験者の被験者。通常のスクリーニングをしていないが、このような（大部分は簡単に気絶する傾向として現れる）血管迷走神経syncopesとして自律神経障害についての疑いを有する患者も除外することができる。実験の前に少なくとも2時間を前に夜を開始するアルコール飲料を避けるために、参加者に指示し、カフェイン入りの飲み物。詳細な手順や安全性についての議論は、ロッシら ^25、およびMagstimの安全審査（参照してくださいhttp://joedevlin.psychol.ucl.ac.uk/tms/docs/magstim_safety.pdfを ）。
2. Tを準備します彼ニューロシステム：
   1. セッションが開始される前に、ナビゲーションシステムのソフトウェアに構造的スキャンファイルをフィードバックする。
   2. 構造的な画像に機能的MRIの結果（コントラスト）を重ねる。
   3. ニューロナビゲーションソフトウェアを使用して、画像についての所望の標的をマークし、ならびにcoregistrationために役立つであろう外部の解剖学的マーカーは：鼻の先端、ノーズブリッジの最深部は、多くの場合、鼻根と呼ばれ、各々の耳珠耳。
3. 参加者の頭部にEEGキャップを取り付け、電極を接続します。
   1. 5kΩのより高いではない電極インピーダンスを維持しようとします。
   2. 電極のTMS関連の加熱を回避できるだけゲルを使用する。ゲル量の少ない良好なインピーダンスを達成するために徹底した肌の準備を行う。必要に応じて、実験に来る前に自分の髪を洗うよう参加者に依頼してください。
   3. 電極ワイヤは、EAが交差しないことを確認してください他のCHとコイルの位置から離れて配向されている。ワイヤーのループを回避します。
   4. ノイズ·アーティファクトをより正確に示すために、高いサンプリングレートを使用してください。それは、この方法を使用して、ほとんどのこれまでの研究は^7,26-28を行ったように、1 kHzの以上を使用することをお勧めします。
   5. 可能な限りコイルからのリファレンスとグランド電極を配置します。この例では、後頭皮質内領域は、鼻のリファレンスとFzのグランド^7を使用して標的とされた。他の例としては^{、3,4,27,29,30を}参照してください。必要に応じて、このような一般的な平均値として、データを新しいリファレンスにオフライン再参照することができることに注意してください。
      注意：TMS-EEGセットアップの最適化について概説については、Veniero ら ^31を参照してください。
4. スキャンした被験者の頭部Coregister、次のように：
   1. 参加者の頭の上に赤外線検出器を取り付けます。
   2. 事前定義されたマーカー（チップを用いたナビゲーションシステムを備えたヘッド位置Coregister鼻の、など） 図3を参照してください。それは、すべての段階で正確なコイルの配置を確実にするためにブロック間のcoregistrationを繰り返すことをお勧めします。
5. 対象地域を探します。
   1. 対象はあごが画面から所望の距離に顎置きに載って座っている。
   2. これらは、実験ブロック（正確なノイズテンプレート測定のための重要な）の間の運動を控えるように求められますように、参加者は、自分の椅子で快適であることを確認してください。
   3. ナビゲーションシステム図3からのTMSのターゲットを選択します。
   4. ポインタツールを使用して（ 材料表を参照）、ナビゲーションシステムは、最適なコイルの場所にユーザーを導き、電極キャップに小さなステッカーでマークしてみましょう。それが頭に垂直にポインタを保持することが重要です。前各ブロックにこの段階を繰り返します。それは、ブロック中にオンラインのナビゲーションを使用することを推奨されていないことに注意してください（コイルをナビゲート任意のコイルの動きので）それを保持した状態で、それ自体は、TMSアーチファクトテンプレートの最良の測定のために避けるべきである。これは、事前に定義し、TMSの場所をマーキング安定な刺激を達成するための最適な方法であることが見出された。
   5. ホルダに保持された状態で、マーカーにコイルの正確な中心部をガイド。それが頭に接線方向であることを確認してください。
6. 所望の値にTMS強度を設定します。参加者の承認を得るために1テストパルスを管理します。
7. 実験ブロックを実行します。
8. ノーTMS条件：特殊な偽TMSコイルが使用できない場合は、90°で、次の被験者の頭部にTMSコイルを配置し、それを傾けます。空白の試験を含む、いつものようにブロックを実行します。
   読者は、ナビゲーションシステムのさらなるデモンストレーションアンドンとZatorre ³²でJoveのビデオペーパーを参照することができる。

4。脳波データを解析し、ERPの計算

1. 即時パルスARTIFを削除同法は、次のように：
   1. クリップ装置（上記参照）を使用できない場合は、EEGデータの処理の最初のステップは、データから即時TMSパルスアーチファクト自体をカットすることであろう。フィルターが必要ない場合は、この手順をスキップすることができることに注意してください。フィルタが適用されているなら、アーティファクトの鋭いエッジ形状データの歪みが作成されます。パルス発症後10から15ミリ秒の狭い時間枠で十分が、データの目視検査することによって、これを確認してくださいする必要があります。
   2. パルスを除去した後に作成した2つの切断端を接続します。これを達成するための2つの主な方法は、これまでの報告で提案されている：1、単純に（Fuggetta ら ²⁶および図1を参照）。一緒にパルスを除去した後に、残りの二つの端部を結合する; 2。それらの⁷の間の等間隔の値を生成することにより、2つの切断が終了するとの間のラインを補間する。以下のようにこの補間に使用式は、サンプルxにおける各欠落したデータポイントのyについて、YがX ₀とy _0はカットセグメントの前に最後のデータ点の座標であり、X _{1、Y 0} +（（Y _{1-Y 0）*（XX 0））/（X 1-X 0）を} =計算及びy _1は、切断後の最初のセグメントのデータ点の座標である。両方の技術は、図1で示したように、フィルタは、鋭い電圧ステップのために波紋を生成することなくデータに適用できることを保証します。より複雑な³次多項式補間にライヘンバッハと同僚²⁷による研究を参照してください。
2. 差分法を適用します。
   1. （画像が提示されたかのように）存在する場合、無TMS制御条件を含む各実験のブロックについては、時間ロックトライアル開始にそれらをすることによって、空白の画面裁判に平均化し、ERPを計算します。
   2. これは、すべての他の刺激条件の各試行からテンプレートを平均した減算します。いくつかのブロックが実行された場合テンプレートはブロック間のわずかに異なることになるのと同じ刺激部位のために、各ブロックごとに個別にこれを行う。
3. 他の全ての前処理及び処理工程は、任意の他のERPの実験と同様に行われる。

結果

同時EEG-TMSの調査は後頭側頭頭皮上で記録された顔や体へのERP応答が解離しているかどうかを明らかにするために使用した。視覚刺激が提示されると、顕著なN1成分は、後側方電極部位で記録される。具体的には、N1の成分は、典型的には、他の刺激カテゴリ^8,33よりも顔や体のために大きくなっている。顔およびそれらのそれぞれの顔やボディN1成分にfMRIを用いて定義された本体選択的脳領域に対する刺激の効果を評価することによって、我々は、顔や体のN1応答が（少なくとも部分的に）ソースを非重複、またはむしろ反射するかどうかを明らかにすることが試み定量的に異なる活性化レベルで同じネットワーク活動。

我々は、横occip顔選択や体選択的領域に、（例えば、ピッチャーら ^34,35参照）画像発症後60ミリ秒から100ミリ秒で、ダブルパルス刺激を適用皮質ITAL -後頭部-フェイス面積（OFA）と線条ボディエリア（EBA）（ 図4（a）は 、関連のfMRIは対照的の定義については、上記セクション1.3を参照）...

ディスカッション

正確な時間の点で、比較的良好な空間精度で、瞬間的に選択した皮質領域における正常な神経活性を破壊するユニークな能力を持つ、TMSは因果的に行動や神経生理学的指標で刺激した脳の領域をリンクすることができます。本論文では、機能的に定義皮質領域をターゲットとし、ERPの応答の信頼性の高い測定を可能に分析を適用すること、同時のTMS適用中の脳波を測定するための方法を記載した。我々は、TMSが与えfMRIの定義の脳領域（ すなわち OFAおよびEBA）は因果的に好みの刺激（ つまり顔や体）へのERP応答に関連しているかどうかを尋ねる脳波とfMRIのと組み合わせて使用された文献から例を挙げた。

^7,26,27いくつかの研究で確認され^、19を適用した記載サブトラクション技術は、いくつかの注目すべき利点を有する：それは残留物の除去を可能にする最も重要なのERP構成要素の時間枠をカバーするアル長続きTMSアーチファクト;それは同じように、筋肉の機械（電極への電気的な干渉）と非希望皮質からのアーチファクト成分（ 例...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
3.0 T Signa MRIスキャナー	ゼネラル・エレクトリック
BrainAmpアンプ	Brain Products GmbH	BP-01300
電極入力ボックス	Brain Products GmbH		オプション
PowerPack - アンプ用バッテリー	Brain Products GmbH	BP-02615
BrainCap - フレキシブルキャップに32個のフラット電極	Brain Products GmbH	BP-0300MR	フラット電極は、コイルと頭皮の間の距離を短くするために使用する必要があります。より大きな電極(例:ピンタイプ)電極を使用する場合は、コイルの下の電極を取り外してください
TMS Super Rapid2刺激装置	Magstim
50mmダブルコイル	Magstim
コイルホルダー コイルを保持し			、直角と位置に調整し、刺激中にコイルを安定させることができる任意の機械式アームまたは三脚
あご当て
ポラリス赤外線カメラ	ローグリサーチ株式会社
ポラリストラッカーとポインターツール	ローグリサーチ株式会社
BrainSightワークステーションとソフトウェア	ローグリサーチ株式会社
BrainVisionレコーダーソフトウェア	Brain Products GmbH	BP-00010
MATLABソフトウェア	The MathWorks Inc
Matlab の SPM	ウェルカム Department of Imaging Neuroscience, London, UK
MarsBar Region of interest toolbox for SPM
Psychtoolbox for MATLAB			このツールボックスと E-prime ソフトウェア (下) は、信頼性の高いタイミング E-Prime ソフトウェアを使用して、TMS 刺激装置と EEG レコーダーにコマンドを配信できる刺激提示ソフトウェアの例です
	心理学ソフトウェアツールズ株式会社