機能イメージングによるヒト聴覚皮質上のシータバースト刺激の後遺症のマッピング

本手順の目的は、機能的脳画像法と経頭蓋磁気刺激法を組み合わせることで、聴覚皮質を調査することです。まず、機能的MRI局在化（functional MRI Localizer）を実施して聴覚タスクに関連するネットワークを特定し、次に、その機能的MRI局在化から得られたデータに基づいて刺激標的を決定することで、これを達成します。

次に、刺激前の聴覚野の活動を測定するため、機能的MRスキャンを実施します。その後、NEURONAVIGATIONツールを用いて、被験者の個別の解剖学的構造および機能に基づきTMSコイルを配置します。この操作は、被験者がスキャナーベッドに横たわった状態で行います。

被験者をスキャナー室から何度も移動させる手間を省ぐため、最終ステップとして、被験者をできるだけ速くスキャナーのボア内に戻し、fMRI撮像を開始します。最終的に、fMRIによってTMS誘発効果をマッピングすることが可能です。データは、TMS後に聴覚ネットワークにおいて機能的な再編が起こることを示しました。

TMSは、特定の脳領域と認知機能の間の因果関係を調べるためのユニークなツールです。しかし、TMSによって誘発される脳活動の変化の部位や性質に関する情報が不足しているため、その解釈には限界があります。そのため、TMSによって誘発される機能的変化を特定するために、TMSと機能的イメージングを組み合わせることにしました。

本研究と先行研究との違いは、標準的なオフラインTMSおよびfMRIでは、参加者がMRI室を出て別の部屋へ移動してTMSを受け、その後できるだけ早くMRI室に戻らなければならないのに対し、本研究ではスキャナールーム内でTMSを実施する点にあります。2回目のfMRIセッションにおいて、このような往復の移動は脳の状態に変動をもたらす可能性があり、本プロトコルで用いるTMSによる影響に干渉し得ます。

頭部の位置が比較的安定するため、FM RIの前後データを比較する際の精度を高めることができます。さらに、TMSおよびその効果のマッピングをより迅速に行うことが可能です。本プロトコルは2日間のセッションに分かれています。

1日目は、TMSのターゲット領域を決定するための解剖学的スキャンおよび機能的スキャンを含むFMRI LOCALIZERセッションを行います。2日目はFMRIセッションを行い、1日目のTMS前後において、参加者にスキャナー外でメロディ識別タスクの練習をしてもらいます。このタスクでは、被験者は連続する2つの5音節のメロディが同一であるか異なるかを判断します。

非識別聴覚コントロールタスクも含まれており、被験者はすべてC5の同じピッチである5つの音符からなる等長のパターンを聴き、2番目の音の後にボタンを押します。次に、高解像度のMR解剖学的画像を取得してMRIセッションを開始します。その後、グラジエントエコーEPIパルスシーケンスと、MRIスキャンによるBOLD効果や聴覚マスキングを最小限に抑えるためのスパースサンプリングパラダイムを用いて機能画像を収集します。

スキャン完了後にノイズを確認します。解剖学的および機能的なランドマークの両方を用いて、被験者の刺激部位を定義します。電界強度の減衰により、TMSは刺激部位の深さに制限があり、3 cmより深い領域には到達できないことに留意してください。

個体間で解剖学的構造や機能に差があるものの、各被験者に対して同様のランドマークを使用することが極めて重要です。したがって、Harvard Oxford structural Atlasマスクで定義された解剖学的ランドマークを用いて、ヘシュル回を特定します。マスクはここで緑色で示されており、次に、ヘシュル回内の活性化のピークを求めることでTMSターゲットを定義します。これは、ここで青い点で示されています。

また、音響的および体性感覚的なアーチファクトなどのTMSによる非特異的な影響を制御するための部位として、頭頂部（vertex）を特定します。これは解剖学的に、外後頭結節（inion）と鼻根の中点にあり、左右の耳介切痕から等距離にある点と定義されます。なお、刺激部位の提示順序は、被験者間でカウンターバランスをとる必要があります。

TMS実験当日。すべての装置をセットアップします。まず、フレームレス立体定位固定装置から準備します。

コンピュータシステムは、TMS適用中に開放されるドアに隣接したスキャナ室の外に配置する必要があります。システムのレジストレーションツールとトラッカー、およびマルチジョイントアームはMR適合性があります。ここで使用される赤外線カメラはMR適合性がないため、スキャナ室内のスキャナドア付近で、スキャナベッドから2m離れた位置に配置する必要があります。

TMS刺激装置システムは、MRIスキャナー室に隣接する部屋に設置してください。MRI対応のTMSコイルをスキャナー室内で使用し、RFフィルターチューブ負荷を介した7メートルのケーブルでTMSシステムに接続します。参加者の解剖学的および機能的画像と刺激ターゲットを立体定位ソフトウェアパッケージに取り込みます。ここでは、スキャンの開始前に参加者の右側ヘシュル回をターゲットにします。

被験者にMRスクリーニングフォームに記入してもらい、すべての金属類を外させます。次に、ローカライザーセッションで行ったものと同一の解剖学的および機能的スキャンを用いて、MR収集を開始します。その後、スキャナーベッドを外側にスライドさせ、TMSセッションの間、ボディプラットフォームを上げたままにします。

上部のMr.Headコイルを取り外し、ヘッドバンドとトラッカーセットを被験者の頭部に固定し、多関節アームをスキャナーベッドに取り付けます。次に、MR互換TMSコイルをアームに固定します。すべてのトラッカーとコイルが、こちらのカメラの視野内にあることを確認してください。

コイルの変位をより容易に追跡できるよう、カメラは被験者のわずかに右側に配置します。右半球を標的とする場合は、ステレオタクシーツールを用いて被験者の頭部を校正し、鼻尖、鼻根、および両耳の耳珠を、解剖学的データの同様のランドマークと共登録します。これには2人の実験者がest必要です。

ステップ1では、被験者の頭部およびコンピュータにて、コンピュータ上でのレジストレーションを行います。次に、MR適合TMSコイルを頭皮に対して接線方向に配置し、コイルトラッカーを赤外線カメラに向けます。コイルは、ハンドルが後方を向き、正中線と平行になるように方向を合わせてください。

マルチジョイントアームのネジを使用して、コイルの位置を固定します。次に、TMSシステムを起動し、刺激を開始します。TMSは、50 Hzで3パルスの刺激を5 Hzの間隔で40秒間繰り返す連続シータバースト刺激などのパターン化されたプロトコルに従って適用してください。

本プロトコルは、健常者において刺激終了後最大30分間、皮質可塑性を調節することが示されています。刺激が完了したら、速やかに被験者をスキャナーに戻すことが重要です。すべてのTMS機器を取り外し、被験者の頭部をMr.Headコイル内にスライドさせて挿入してください。

スキャンシーケンスを準備し、ロカライザースキャンの回数と時間を最小限に抑えて、すぐに開始できる状態にしておきます。rTMSの効果は一時的であるため、最終的なスキャンセッションは機能的スキャンから開始する必要があります。同様に、メロディタスクの12分間のランの間にfMRIを実施します。

機能スキャンが完了した後、実験の最後に解剖学的スキャンを行います。各fMRIセッションについて、TMS-fMRIセッションの前後の両方でfMRIデータの解析を個別に実施します。メロディと聴覚対照タスクの間でコントラスト分析を行います。

次に、T-M-S-F-M-R-Iセッションの前後の差を評価するため、Studentの対応のあるt検定を用いてランダム効果分析を行います。ここでは、単一の被験者における、T-M-S-F-M-R-Iセッション前およびセッション後の、対比メロディ識別から聴覚コントロール試行を差し引いた結果を示しています。T-M-S-F-M-R-Iセッション前後の両方の座標は、Heschl回を含む刺激部位の対側である左半球の変化を示すため、MNI 1 52標準空間で表示されています。ここでは、Studentの対応のあるt検定を用いた、T-M-S-F-M-R-Iセッション後の結果からセッション前の結果を差し引いた対比の結果を確認できます。

データは、右ヘッシェル回を標的としたCTBSが、対側聴覚皮質およびその他の対側領域における信号の増加を誘導することを示唆しています。加えて、両半球の聴覚皮質間における機能的コネクティビティの変化も観察されました。このビデオを視聴することで、TMSニューロナビゲーション装置を使用して特定の脳領域を標的にする方法、およびML環境下でTMSを実施する方法について深く理解できるはずです。

本手順により、研究者はfMRIを用いて、TMSが聴覚皮質に及ぼす影響をマッピングすることが可能になります。また、本手順は、前頭葉や頭頂葉などの他の関心領域を対象とする場合にも適用できます。