デフォルトモードのネットワークを検査する経頭蓋磁気刺激とfMRIを組み合わせ

本手順の目的は、反復経頭蓋磁気刺激を用いて皮質興奮性を変化させ、機能的MRIを用いてデフォルトモードネットワークの脳活性化への影響を調べることです。まず、皮質刺激部位のターゲット決定に使用する被験者のベースライン解剖学的スキャンを取得します。次に、刺激前に安静時fMRIを数回走査します。

手順の3番目のステップは、変調効果が得られるように選択した刺激パラメータを用いて、選択した皮質ターゲットにTMSを適用することです。手順の最終ステップは、再び機能イメージングを数回にわたって取得することです。最終的に、血液酸素レベル依存性（BOLD）イメージング解析を通じて、TMSによって誘発されたデフォルトネットワーク活性化の変化を示す結果を得ることができます。

fMRI単独の場合と比較して本手法の主な利点は、TMSを用いることで、ある領域を調節してネットワークダイナミクスを観察できる点にあります。この方法は、認知神経科学分野における重要な問いへの解答に寄与します。デフォルトモードネットワークなどの特定の安静時ネットワーク内の相互作用をより明確に解明できるだけでなく、デフォルトモードネットワークと他の安静時ネットワークとの間の相互作用をより深く理解することにも役立ちます。

実際のTMSおよび機能的イメージング実験の数日前に、被験者をスキャナーへ案内し、TMS処置中のニューロナビゲーションに使用するベースライン解剖学的スキャンを実施します。まず、被験者に以下を完了させてください。

研究同意書やその他の研究関連書類を含む、必要なすべての書類を用意します。標準的なMRIスクリーニングフォームを含め、ステントや動脈瘤クリップなどのMRIの禁忌事項がないことを確認するためにこれを検討してください。また、この機会に被験者のTMSに関する事前スクリーニングを行い、実験の詳細について説明してください。

次に、被験者をスキャナーまで案内し、スキャナーベッドの上に配置します。耳、鼻、頭皮を含む頭部全体を視野に収め、T1強調3D SPGR MP RAGEまたは同様のスキャンを取得してください。スライス厚は約1 mmを推奨します。

このスキャンデータを、TMS procedure中のニューロナビゲーションに使用するフレームレス定位手術ソフトウェアパッケージに読み込み、このソフトウェアを用いて刺激座標を特定および設定します。本実験では、実験当日にここで確認される左下頭頂小葉をターゲットにします。rTMSの神経変調効果は一時的なものであるため、TMSとfMRIを組み合わせた実験を行う際は、タイミングが極めて重要であることに留意してください。

したがって、実験ステップ間の移行を適時に行うために、以下の手順を講じる必要があります。まず、ポータブルTMS装置をスキャニングベイに隣接した部屋、または可能な限り近い場所に配置します。本実験では、システムはスキャナーの隣にある観察室に設置しています。

ただし、MRI非対応の機器は常に5ガウスラインの外側に置くようにしてください。次に、事前に取得しターゲット設定を行った被験者の解剖学的MRIが、定位脳手術用ソフトウェアパッケージにロードされ、TMSの手技中にすぐに使用できる状態であることを確認してください。最後に、定位装置を刺激コイルに取り付け、選択したソフトウェアパッケージを用いてコイルのキャリブレーションを行ってください。

ここでは、コイルの中心性を登録するために一組の赤外線センサーが配置されています。実験装置のセットアップが完了したら、被験者をMRIスキャンに向けて準備します。MRI安全性を再確認し、被験者にすべての金属類を取り外させ、トイレを済ませているか確認してください。被験者をスキャナールームに案内し、快適に過ごせるよう、必要に応じて背中や首のサポートを提供しながら、スキャナーベッドの上に心地よく配置してください。

スキャン中、ヘッドコイルを接続し、被験者の頭部の周囲にフォームパッドを配置して、頭部運動によるアーチファクトを低減させます。LOCALIZERスキャン、および初期スキャンと解剖学的スキャンを取得します。次に、6分間の機能的実験ランを3回実施します。

推奨されるパラメータは、TR 2.5秒のエコープランナー法（EPI）、ボクセルサイズ 3mm、および全脳の視野（FOV）です。各ランの間、被験者の中心視野に注視点が表示され、被験者はリラックスして受動的にそれを凝視するように指示されます。このような単純な注視タスクは、デフォルトモードネットワークの活性化を調べるのに適しています。

最初の機能的スキャンセッションが完了したら、被験者がスキャナーから出るのを介助し、快適な姿勢で座らせてください。TMS装置の隣にある椅子を使用します。刺激中の聴覚保護のため、耳栓を提供してください。

次に、被験者にTMS装置と刺激コイルを提示します。被験者が大きなクリック音に慣れるよう、頭部の近くで数回パルスを放電させ、また、タッピング感を体感できるよう、手にパルスを放電させます。これで、ステレオタキシス装置を用いて被験者の頭部をキャリブレーションする準備が整いました。

まず、被験者の頭部のここに赤外線トラッカーを設置します。赤外線センサーを用いて、両耳、鼻、および鼻根を含む複数の解剖学的ランドマークを登録します。これらのランドマークは定位手術ソフトウェアパッケージによって記録され、あらかじめ取得した解剖学的スキャンデータが被験者の頭部に共登録されます。

次に、被験者の安静時運動閾値を決定します。本プロトコルでは、ここに示すように、一次運動野にシングルパルスを照射します。コイルを移動させながら刺激強度を調整し、対側手の8回中4回の筋収縮を誘発する領域を特定してください。最後に、TMS装置の強度とパラメータを、刺激に使用する設定に合わせます。

本実験では、皮質興奮性を高めることが示されている、運動閾値の110%で20 hertzの刺激を、2秒間の刺激トレインと28秒間の休止期間の刺激パターンで用います。今後の実験では、抑制効果を検討するために1 hertzの刺激を用いることができます。これで実験のTMS部分を開始する準備が整いましたので、改めて、被験者が快適な状態で、すぐにスキャナーに戻れる準備ができていることを確認してください。

TMSセッションの手順は以下の通りです。刺激を開始する前に、コイルを頭皮に接するように保持し、立体定位失調装置およびソフトウェアディスプレイを用いて、あらかじめ決定された被験者の皮質刺激部位を特定し、ターゲットに合わせます。その後、装置の冷却システムを起動してください。コイルを皮質ターゲットの上に保持した状態で、刺激を開始します。

前述のパラメータを用いて、1トレインあたり2秒で45回の刺激トレインを実施します。28秒の休憩を挟むことで、総刺激時間は23分となります。TMS直後に被験者をできるだけ速やかにスキャナーベッドに戻し、一過性のオフラインTMS効果を低減させるため、最終的な機能的イメージングセッションを開始してください。機能的ランを初期化できるよう、ローカライザースキャンの回数と時間は最小限に抑えます。初期スキャンと同じイメージングパラメータを使用し、同一の注視パラダイムを用いたパッシブフィクセーションの6分間のランを3回、迅速に実施します。

すべての機能的イメージングが完了したら、以前のセッションで使用したものと同じイメージングパラメータを用いて、最終的な高解像度の解剖学的スキャンを取得します。最後に、被験者がスキャナーから出るのを補助してください。すべてのイメージングデータを転送・アーカイブし、被験者に協力への感謝を伝えてください。

少なくとも15名の被験者のデータを取得した後、任意のfMRI解析パッケージを使用して、画像のポストプロセッシングおよびその後の被験者間解析を行ってください。ここでは、左下頂葉への20 Hz刺激における代表的な結果を示しています。20 HzのTMS刺激は局所的な興奮性を促進させますが、データによれば、デフォルトモードネットワーク内の機能的結合を低下させることがわかっています。この手順を行う際は、rTMSの一時的な効果を画像化できるよう、刺激後できるだけ速やかに被験者をスキャナーへ移動させることが重要です。

TMS刺激パラメータを変更することも可能です。例えば、TMS機器の強度を上げて、デフォルトネットワークへの影響にパラメータ依存性があるかを確認できます。また、シータバースト刺激の使用を試みることもできます。

最後に、ブロックデザインやイベント関連デザインなど、TMS後のさまざまなMRIデザインを用いることで、認知タスク実行中のTMSの効果を確認することができます。