Name: マルチモーダルImaging-とてんかんの患者で接続関連の脳の興奮性を評価するの刺激に基づく方法 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-11-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 23 s
Description: 学ぶマルチモーダルイメージング法でてんかん患者の皮質過興奮性を評価する技術。MRIガイド下経頭蓋磁気刺激と同時脳波記録を組み合わせ、てんかん原性ネットワークの異常を特定し治療標的化に活用する方法を解説します。

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著者は、Emily L. Thorn, B.A.の協力に感謝したいと思います。彼女の「誘発された電気的活動の源推定」セクションに協力してくださった方々に感謝いたします。MMSは、Harvard Catalyst/The Harvard Clinical and Translational Science Center(National Center for Research Resources and the National Center for Advancing Translational Sciences, National Institutes of Health Award KL2 TR001100)からKL2/Catalyst Medical Research Investigator Training awardの支援を受けました。CJCは、国立衛生研究所(National Institutes of Health)(5K12NS066225)の助成を受けて行われました。APLは、Sidney R. Baer Jr. Foundation、National Institutes of Health(R01 HD069776、R01 NS073601、R21 MH099196、R21 NS082870、R21 NS085491、R21 HD07616)、Harvard Catalyst/The Harvard Clinical and Translational Science Center(NCRRおよびNCATS、NIH UL1 RR025758)からの助成金によって部分的に支援されました。 BSCは、国立神経疾患・脳卒中研究所(R01 NS073601)の支援を受けました。

MMS、SWG、CJC、BSCは開示するものは何もありません。APLは、Nexstim、Neuronix、Starlab Neuroscience、Neuroelectrics、Neosyncの科学諮問委員会のメンバーを務めており、経頭蓋磁気刺激(TMS)と脳波検査(EEG)および磁気共鳴画像法(MRI)のリアルタイム統合に関するいくつかの発行済みおよび出願中の特許の発明者としてリストされています。

休止状態の機能的接続性MRIは、ヒトの脳内のネットワーク接続を識別するために、異なる疾患状態26,31,32に生じる接続の変化を同定するために使用されています。しかし、fMRIの機能的結合としてBOLD信号に相関を識別することに基づいており、血液酸素の変化は、基礎となる神経活動との非自明な関係を持っているとして、因果意義とこれらのfMRI接続所見の生理学的関連性は不明です。 TMSは、特定の皮質領域における脳活動の空間的および時間的に目標と操作を可能にします。 EEGと組み合わせた場合、TMSは、異なる脳領域にわたって刺激に対する脳の応答を評価するために使用することができます。したがって、TMS-EEGは、接続中に観察された変化は、基礎疾患の病態生理に関係する可能性がある生理学的相関を持っているかどうかを評価するために変更されたfMRIの機能的結合を有する領域に適用することができます。この記事では、異常な機能の接続ネットワーク37の開発に関連付けられている脳の発達、脳室周囲結節性異所性の奇形にてんかんの患者における皮質興奮性を評価するため...

経頭蓋磁気刺激（TMS）は、非侵襲的に電磁誘導を介して大脳皮質の領域を刺激するための手段です。 TMSは、大きいが、空間的に制限された磁束は、ターゲット皮質領域に電界を誘導し、それによって下にある神経組織の活動を調節するために使用されます。モータにおける運動皮質の結果とTMSは、電（EMG）を介して末梢測定することができ誘発電位。ペアまたはパルスのトリプレットに適用した場合、TMSは、特定の皮質内GABA作動性およびグルタミン酸回路1-3の活性を評価し、したがってヒト患者におけるインビボでの興奮と抑制のバランスを評価することができます。てんかんでは具体的に、TMS研究は、皮質過剰興奮はてんかん4,5を有する患者において存在し、成功した抗てんかん薬物療法で正規化し、従って、薬物6に対する応答を予測することができることを示しています。皮質元のさらに、TMS対策単一の発作7とし、一般的な特発性および後天焦点てんかん8の両方を有する患者の兄弟姉妹に患者における中間値を示しcitability。これらの知見は、皮質興奮性のTMS対策は、私たちはてんかんのためendophenotypesを識別することを可能にし得ることを示唆しています。 TMS-EMGは、モータのみ皮質回路の刺激で評価することができ、てんかん患者の多くは、運動皮質の外側発作病巣を持っているのでしかし、これらの対策の感度と特異性は、おそらく、限定されています。 脳波（EEG）を直接TMSに対する脳の応答を測定するための機会を提供し、そして新皮質の広い領域にわたって脳の反応性を評価するために使用することができます。 EEGとTMS（TMS-EEG）を積分研究は、TMSは皮質9,10および11月13日 、再現性と信頼性全体に反響活動の波を生成することが示されています。誘発活動の伝播を評価することによって異なる行動状態にし、さまざまなタスクに、TMS-EEGは因果的に人間の脳のネットワーク10,14-16の動的な効果的な接続性をプローブするために使用されています。 TMS-EEGの対策は、統合失調症17からADHD 18までの範囲の疾患で、そのような永続的植物状態19のような意識の障害に有意な異常を示しています。さらに、いくつかのグループが対になったパルスの脳波相関てんかん20,21の患者で異常であるTMS-EMGメトリック同定しました。特に関連するのは、以前の研究はまた、異常な刺激誘発脳波の活動はてんかん22-25患者で見られることを示唆しています。 脳の回路を評価する別の手段は、休止状態の機能的結合MRI（RS-fcMRI）、異なる脳領域26から血液酸素レベル依存（BOLD）信号に時間をかけて相関を評価する手法を介して行われます。用いた研究RS-fcMRIは、人間の脳は、神経精神疾患は、RS-fcMRI 30で識別される特定の大規模分散型ニューラルネットワーク内で発生する可能性があること、相互作用領域26-29の別個のネットワークに組織化されていることを実証しており、脳のネットワークは、RS-を介して識別することをfcMRIは、多くの場合、精神神経疾患状態31,32で異常です。潜在的な臨床応用の面では、RS-fcMRIは受けにくい協力への依存および可変性能への懸念など、従来のタスクベースのfMRIアプリケーション33に比べていくつかの利点があります。そのため、最近では異なる疾患状態におけるRS-fcMRI変化を探索研究の爆発がありました。しかし、RS-fcMRIの限界の一つは、BOLD信号内かどうか、およびどのように相関関係（またはanticorrelations）を決定することの困難は、神経通信の基礎を形成する電気生理学的相互作用に関係しています。関連する問題は、ofteであることです種々の疾患状態で見られるRS-fcMRI変化は生理学的な意義を持っているかどうかn個は不明。てんかんにに関して特に、RS-fcMRIの異常が単独発作間欠期てんかんの過渡現象に起因する、または独立して、このような電気生理学的異常の存在するかどうかは不明です。同時EEG-fMRIのは、34これらの可能性を評価するために必要とされます。 TMSは、異なる皮質領域の活性化の一過性または持続的変化を生成するために使用することができるように、TMS研究は因果異なる静止状態のfMRIの接続パターンの重要性を評価する手段を提供します。一つのアプローチは、異なる疾患状態の治療的刺激の努力を導くために、RS-fcMRIを使用することです。それは、TMSは機能的に異なる疾患状態に関与することが知られている領域に接続されている領域を標的とすることが期待できるTMSは、functioなし領域を標的とするよりも治療上有効である可能性が高いです最終接続性、および実際にいくつかの研究は、この35,36のための予備的な証拠を発見しました。別のアプローチは因果的に異なる休止状態fcMRIパターンの生理学的有意性を評価するためにTMS-EEGを使用して伴うだろう。具体的には、1は、特定の疾患状態の異常機能の接続性を示す領域は健常者に比べて患者では刺激に異なる応答を示すべきであるという仮説をテストし、これらの生理学的異常が異常の刺激と特異的に（または主に）存在していることができます連結領域。 上記を説明するために、我々は原因発達脳の異常脳室周囲結節性異所性（PNH）37にRS-fcMRI、TMSとEEGは、てんかんの患者において皮質過剰興奮性を探求するために結合された最近の研究の例を提供します。 PNH存在adolescent-または成人発症てんかんの臨床的に、障害を読んで、通常のINTEのある患者lligence、および38,39の神経画像上の側脳室に隣接する灰白質の異常な結節をしています。以前の研究では、異灰白質のこれらの脳室周囲結節が構造的および機能的に新皮質40,41に個別の病巣に接続されていることを示しており、そのてんかん発作がでているてんかん発生を示唆し、新皮質領域、異灰白質、または両方同時に42から生じ得ますこれらの患者は、回路現象です。 TMS-EEGを導くために、休止状態のFC-MRIを使用することにより、我々は原因PNHへの積極的なてんかんの患者は、皮質過剰興奮の証拠を持っていること、そしてこの過剰興奮が深い結節への異常な機能の接続性を有する領域に限定されるように表示されていることを実証しました。 プロトコルは、2つの別々のセッションで行われます。最初のセッションの間に、構造および休止状態の血液酸素化レベル依存（BOLD）コントラストMRIシーケンスが取得されます（患者のため）、または（健常対照用）だけで構造的MRIシーケンス。第一および第二のセッションの間に、休止状態の機能的結合分析は、患者に対して、皮質ターゲットを定義するために使用され、これらのターゲットが得られるためMNI座標。 （MNI座標に基づいて）同等の皮質のターゲットは、各健康な対照被験者のために識別されます。第二セッションでは、TMS-EEGデータが得られます。 本論文で示した例では、機能性・接続性MRI分析は、社内のソフトウェア・ツールボックスとMRIソフトウェア43,44を用いて行きました。ニューロナビゲートTMSは、リアルタイムMRIのニューロと経頭蓋磁気刺激装置を用いて行きました。 EEGは、TMSにより、増幅器の飽和を回避するためにサンプルホールド回路を利用する60チャネルTMS互換システムで記録しました。 EEGデータは、MATLAB R201で実行されているカスタムスクリプトとEEGLABツールボックス45（バージョン12.0.2.4b）を用いて分析しました図2b。

<table><tbody><tr><td>3T MRIスキャナー</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MRI機能接続ソフトウェア</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MRI画像表示ソフトウェア</td><td></td><td></td><td>MRICron</td></tr><tr><td>経頭蓋磁気刺激装置</td><td>Nexstim</td><td>eXimia Stimulator</td><td>他のサプライヤーからの刺激装置を使用できます、例、Magventure、Magstim</td></tr><tr><td>MRIニューロナビゲーションシステム</td><td>Nexstim</td><td>NBS v3.2.1</td><td>代替MRIニューロナビゲーションシステム、e.g.、Brainsight、Localite</td></tr><tr><td>TMS互換脳波システム</td><td>Nexstim</td><td>Eximia 脳波</td><td>代替:Brain Products、Synamps、ANT</td></tr><tr><td></td><td>Matlab Mathworks</td><td>R2012b</td><td>代替:Octave</td></tr><tr><td>EEGLab</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Minimum Norm Estimate(MNE)ソフトウェア</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>フリーサーファー</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

マルチモーダルimaging-とてんかんの患者で接続関連の脳の興奮性を評価するの刺激に基づく方法

A Multimodal Imaging- and Stimulation-based Method of Evaluating Connectivity-related Brain Excitability in Patients with Epilepsy

Resting-state functional connectivity MRI(rs-fcMRI)は、血中酸素濃度に依存する信号の経時的な相関に基づいて、異なる脳領域間の接続性を特定する技術です。 rs-fcMRIは、さまざまな神経疾患や精神疾患における脳の接続性の異常を特定するために広く適用されてきました。しかし、rs-fcMRIの接続性異常と脳の電気生理学と疾患状態との関係は不明であり、これは機能的接続性の変化が疾患の病態生理学における因果関係を確立していないことが一因である。経頭蓋磁気刺激法(TMS)は、電磁誘導を用いて皮質活動の焦点変化を非侵襲的に引き起こす技術です。脳波計(EEG)と組み合わせることで、TMSは外部摂動に対する脳の反応を評価するために使用できます。ここでは、rs-fcMRI、TMS、および EEG を組み合わせて、神経精神疾患患者の機能的接続性の変化の生理学的意義を評価するためのプロトコルを提供します。rs-fcMRIを使用して、皮質発達の奇形によるてんかん患者の異常な接続性領域を特定し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、 脳室周囲結節性異所性(PNH)。てんかん患者における刺激は、一致した健康な対照患者の同じ部位の刺激と比較して異常なTMS誘発脳波活動をもたらし、TMS誘発電位の後期成分の異常な増加をもたらし、皮質の過興奮性と一致した。この異常は、異常な安静時状態の機能的接続性を持つ領域に特有のものでした。以前に発作が記録された被験者の電気源分析により、異常なTMS誘発活動の起源が発作発症ゾーンと共局していることが示され、てんかん誘発性回路の存在が示唆されました。これらの結果は、rs-fcMRI、TMS、およびEEGを一緒に利用して、ヒトの疾患における異常な脳の接続性の生理学的意義を特定し理解する方法を示しています。

休止状態の機能的結合のfMRIは、接続せずに異脳室周囲灰白質結節（ 図1）、及び制御領域が高い機能的結合を実証する皮質の領域を同定するために使用され得ます。このような異常機能的結合は、生理的な意義を持っているかどうかを判断するには、相関休止状態の活性を有する皮質領域は、コントロールの刺激によって生成されたEEG電位に比べneuronavigated TMSのための「接続」の標的部位、および誘発脳波結果として選択することができます同じ患者では非接続されているターゲット。さらに、同じ領域がPNH患者に見られる異常な機能の接続は、患者の臨床的なてんかん症候群の病態生理学的意義を持っているかどうかを決定するために、健康な対照被験者（ 図2）に標的化することができます。皮質hyperexの具体的存在citabilityグローバル平均電場電位の正規化曲線下面積を決定し、この値は、彼または彼女の適合コントロール（ 図2）よりもてんかん患者のために大きいか否かを評価することにより、個々の...

Resting-state functional-connectivity MRIは、皮質発達の奇形によるてんかんを含む、広範囲の神経精神障害を持つ患者の異常を特定しました。経頭蓋磁気刺激法と脳波を組み合わせることで、てんかん患者が異常な接続性を持つ領域で皮質過興奮性を持っていることを実証できます。

マルチモーダルImaging-とてんかんの患者で接続関連の脳の興奮性を評価するの刺激に基づく方法

Resting-state functional connectivity MRI (rs-fcMRI) is a technique that identifies connectivity between different brain regions based on correlations ...

この実験の全体的な目的は、安静時機能的コネクティビティ、MRIガイド下経頭蓋磁気刺激、および同時EEG記録を組み合わせて、てんかん患者における局所的な皮質過興奮性を評価することです。この手法は、てんかん患者において、てんかん原性ネットワークの一部であると考えられる領域に過興奮性の証拠があるかなど、てんかんおよび神経生理学の分野における重要な疑問への回答に役立ちます。この技術の主な利点は、コネクティビティの関数として脳の興奮性の違いを評価できること、およびさまざまな脳領域にわたる皮質反応性を評価できることです。この手法は、通常のEEGが正常であっても皮質の過剰興奮を特定でき、てんかん原性回路を治療標的にできるため、てんかんの診断および治療に寄与します。本手順のデモンストレーションは、私の研究室のリサーチアシスタントであるTamara Gedankianが行います。検査に先立ち、各被験者の機能的結合マップを各被験者の構造画像に重ね合わせることで、2つのTMS標的領域を決定します。実験セッションを開始するために、被験者を検査室に案内し、椅子に座らせます。被験者の頭囲を測定し、電極インピーダンスを低く抑えられる適切なサイズの脳波（EEG）キャップを選択します。次に、綿棒とアルコールを用いて、各電極の下の皮膚を十分に清浄します。各電極に導電性ジェルを塗布し、電極を押し付けて、頭皮、ジェル、および電極がしっかりと接触するようにします。充電アーチファクトを最小限に抑えるため、ジェルが電極ホルダーの外に広がらないようにしてください。参照電極と接地電極は、TMS誘発電極アーチファクトが記録全体に混入する可能性を最小限にするため、前額部の刺激コイルからできるだけ離れた位置に配置します。コモンモードノイズを最小限に抑えるため、これらの電極を互いに数センチメートルの間隔で配置します。次に、EEGシステムのインピーダンス測定ボタンを押します。EEG出力ケーブルをEEG記録システムのインピーダンスジャックに接続し、電極インピーダンスを確認してください。電極インピーダンスが5 kΩ以下であることを確認してください。次に、対側の手の筋電図電極を準備します。聴力損失および耳鳴りのリスクを最小限に抑えるため、被験者に耳栓を装着させてください。次に、実験セッション中の移動リスクを最小限に抑えるように赤外線検出器を被験者の頭部に配置します。ニューロナビゲーション装置に付属のポインターを使用して、被験者上のあらかじめ選択された外部解剖学的基準点（フィデューシャルマーカー）の位置を特定し、被験者の頭部をMRI画像と共登録します。他の部位にパルスを適用するか、頭皮に低強度の刺激パルスを適用して、被験者に刺激に慣れさせます。機能的結合に基づいたターゲットと同側の半球にある被験者の運動野を特定し、安静時運動閾値を決定します。コイルを回に垂直に当て、ハンドルを後頭側に向けて配置し、閾値下になると予想される強度で刺激を開始します。その後、各試行で50 microvoltsを超える振幅の運動誘発電位が安定して誘発されるまで、刺激装置の最大出力の5%刻みで刺激強度を上げます。刺激強さを刺激装置最大出力の1%刻みで下げ、10回中5回未満の陽性反応が記録されるまで調整します。最後に、TMS強度を目的の値に設定します。ニューロナビゲーションソフトウェアを用いて、標的領域それぞれにTMS単発パルスを適用します。この際、皮質可塑性と被験者の期待効果を最小限に抑えるため、パルス間の間隔を変動させます。まず、独立成分分析（ICA）の初回ラウンドを行い、TMSによって誘発された大規模な初期筋活動を示す1〜2個の成分を除去します。これを実行するには、ここで示すコマンドを使用し、対称アプローチを用いたfast ICA法と10コントラスト関数を用いてICAを実行します。「ツール」から「ICAを用いてデータを拒否」を選択し、「マップで成分を除去」を選択してTMSアーチファクトと一致する成分を特定します。これにより、すべてのICA成分のトポグラフィックマップがプロットされます。次に、各成分の番号をクリックして、成分の詳細をプロットします。続いて、「ツール」の「成分の除去」を選択し、「データから除去する成分」のフィールドに該当する成分番号を入力して、アーティファクト成分を削除します。表示される確認ボックスで「ERPのプロット」を押し、選択した成分を削除した結果として得られる事象関連電位（ERP）を確認します。単一試行の効果を確認するには、「Plot single trials」を押してください。単一試行のときと同様に、ERPを確認した後、「Accept」ボタンを押して選択した成分を削除します。2回目のICAを行い、減衰、瞬き、筋肉、および電極ノイズのアーチファクトに対応する成分を除去してください。これを行うには、第1ラウンドのICAと同様に、対称アプローチとtanコントラスト関数を用いたfast ICA法でICAを実行します。同様に、第1ラウンドのICAでトポグラフィックマップを用いて行ったのと同様に、成分の特性を評価します。その後、残留TMS減衰アーチファクト、瞬きアーチファクト、および筋アーチファクトと一致する成分をマークします。さらに、空間的および時間的な分布に基づき、チャネルノイズに相当する成分をマークします。最後に、[ツール]から[成分の削除]を選択し、[データから削除する成分]のフィールドに該当する成分番号を入力して、第1ラウンドのICAと同様にマークした成分を削除します。安静時機能的接続MRIを用いて、皮質表面上の異所性灰白質領域と接続している領域を特定します。これらの領域へのTMSは、異常なコネクティビティを持たない領域や、健常対照群の同一部位と比較して、遅延活動の異常な増加を引き起こします。ここで、てんかん患者におけるTMS誘発電位の異常な後期ピークのソースローカリゼーションを行うことで、異常活動が発生している脳領域を特定できます。これは、患者の発作焦点と空間的に一致する可能性があります。このビデオを視聴することで、てんかんやその他の神経精神疾患患者における異なる領域の脳興奮性を評価するために、安静時機能的結合、MRIガイド下TMS-EEGをどのように活用するかについて、十分な理解を得ることができます。この手順に続いて、反復TMSなどの他の手法を実施することで、病原性ネットワークの一部である脳領域の皮質興奮性を低下させることが、疾患活動性を変化させ得るかどうかを判定することが可能です。

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