경두개 자기 자극 및 뇌파 검사를 통한 뇌 과흥분성 평가

초록

출처: Shafi, M. M., et al. 간질 환자의 연결성 관련 뇌 흥분성을 평가하는 다중 모드 이미징 및 자극 기반 방법. J. Vis. 경험. (2016년)

이

비디오는 간질 환자의 신경 흥분성을 평가하기 위해 경두개 자기 자극(TMS) 및 뇌파 검사(EEG)를 사용하는 절차를 보여줍니다. 사전 기록된 뇌 스캔으로 환자의 머리를 정렬하고, 기능적으로 연결된 피질 표적 위에 TMS 코일을 배치하고, 자극을 가하여 신경 회로를 활성화하는 단계를 자세히 설명합니다. 이 과정에는 운동 반응 추적, EEG 신호 기록, 뇌 활동을 건강한 대조군의 뇌 활동과 비교하여 과흥분성을 식별하고 발작 발병 영역을 국소화하는 것이 포함됩니다.

프로토콜

인간 참가자가 참여하는 모든 절차는 인간 복지에 대한 기관, 국가 및 국제 지침에 따라 수행되었으며 지역 기관 검토 위원회의 검토를 받았습니다.

1. 주제 선택

1. 연구 프로토콜을 위한 환자 선택.
   1. 활동성 간질(지난 1년 이내의 발작) 또는 원격 간질 병력(이전 발작, 그러나 지난 5년 동안 약물 복용 또는 중단 중 발작이 없음) 및 구조적 뇌 영상에서 뇌실주위 결절성 이지피아가 있는 환자를 식별합니다.
   2. 발작 병력이 없는 환자는 제외합니다. 또한 발작에 대한 대체 가능한 병인(예: 외상성 뇌 손상, 뇌졸중, 수막뇌염의 병력) 또는 대체 진단과 일치하는 EEG 소견(예: 특발성 전신 간질, 근심 측두엽 간질)이 있는 환자를 제외합니다.
   3. 추가적인 신경학적 또는 정신 질환이 있거나 기타 불안정한 의학적 상태가 있는 환자는 제외합니다. 또한 이전 뇌 수술 병력이 있거나, 자기공명영상(MRI)을 견딜 수 없거나, 최근 불법 약물 또는 과도한 알코올 사용이 있거나, 특정 MRI 또는 TMS 금기 사항이 있는 환자는 제외합니다.
2. 건강한 대조군 피험자 선택.
   1. 각 뇌실주위 결절성 이지피아(PNH) 환자(이전에 발표된 연구에서 20-43세의 환자 8명은 평균 30.25, 남성 3명, 여성 5명)에 대해 연령 및 성별이 일치하는 건강한 대조군을 식별합니다.
   2. 진행 중인 신경학적 또는 정신 질환이 있거나 향정신성 약물을 복용 중인 피험자, 기타 불안정한 의학적 상태, 이전 뇌 수술 병력, MRI를 견딜 수 없음, 불법 약물 또는 과도한 알코올 사용, 기타 특정 MRI 또는 TMS 금기 사항이 있는 피험자를 제외합니다.

2. 자극 표적 생성

1. 3T MRI 시스템을 사용하여 T1 강조 시퀀스를 사용하여 고해상도 구조적 전뇌 슬라이스를 획득합니다. 다음 획득 매개변수를 사용합니다: 슬래브당 128개의 슬라이스, 256 x 256 매트릭스, 시야(FOV) 256 mm, 슬라이스 두께 1.33 mm, 슬라이스 간 간격 0.63 mm, 복셀 크기 1 x 1 x 1.33 mm³, 반복 시간(TR) 2,530 msec, 반전 시간 1,100 msec, 에코 시간(TE) 3.39 msec, 플립 각도 7°.
2. 3T MRI 시스템을 사용하여 혈액 산소화 수준 의존적(BOLD) 대비에 민감한 에코 평면 시퀀스를 사용하여 휴식 상태 기능 이미지를 획득합니다. 이 스캔을 수행하는 동안 환자에게 특별한 작업을 수행하지 않고 눈을 뜨고 조용히 쉬도록 지시하십시오. 다음 획득 매개변수를 사용합니다: FOV 256 mm, 복셀 크기 2.0 x 2.0 x 2.0 mm, TR 6,000 msec, TE 30 msec, 플립 각도 90°, 획득 시간 6.4 min.
3. MRICroN 소프트웨어를 사용하여 결절성 이지피아의 각 개별 영역(각 개별 결절 또는 분리할 수 없는 인접한 결절 클러스터)을 식별합니다. 펜 도구를 사용하여 T1 강조 구조 이미지의 축 평면에서 슬라이스별로 이지토피아 관심 영역(ROI)의 윤곽을 수동으로 그립니다.
4. CONN 기능 연결 소프트웨어 도구 상자를 사용하여 휴식 상태 기능 데이터 처리에서 설정, 전처리, 분석 및 결과의 네 가지 순차적 단계를 수행합니다.
   1. 설정의 경우 메뉴 선택 항목을 사용하여 새 프로젝트를 시작하고 기본 실험 정보를 입력합니다. 각 피험자의 해부학적 이미지에 재정렬 및 공동 등록된 기능적 이미지를 로드합니다.
   2. 구조 이미지를 로드합니다. 2.3단계에서 만든 헤테로토피아 ROI 파일을 로드합니다. 실험 조건에 대한 세부 정보를 입력합니다. 이것은 휴식 상태이므로 시작 0초이고 지속 시간이 각 세션의 전체 지속 시간과 동일한 단일 조건을 입력합니다. 도구 상자는 헤테로토피아 ROI BOLD 시계열을 추출합니다. 가능한 불일치가 있는지 검사합니다.
   3. 전처리의 경우 BOLD 변동의 교란 원인에는 주요 자기장 및 심장 맥동의 호흡 유도 변조와 피험자 움직임이 포함됩니다. 생리적 소음 과정을 식별하기 위해 심실 및 대형 혈관과 같은 신경 활동과 관련될 가능성이 없는 영역의 시계열 데이터를 분석하는 통합 주성분 기반 방법을 통해 교란 요인을 제거합니다. 가능한 각 교란 소스에 의해 설명되는 총 분산을 미리 봅니다. 대역 통과 주파수 필터(0.01Hz < f < 0.1Hz) 및 가우스 스무딩(절반 최대에서 전체 너비 6mm)을 적용합니다.
      참고: 도구 상자는 기본적으로 백질 및 뇌척수액의 BOLD 신호 및 재정렬 매개변수(피험자 운동)를 포함하여 가능한 교란 요인의 원인을 식별합니다.
   4. 분석 및 결과의 경우 관심 소스를 헤테로토피아 ROI로 식별합니다. 회귀가 아닌 상관관계의 연결성 측정값을 미리 보고 상관 계수에 대한 임계값을 사용하여 표시합니다.
      1. 각 주제에 대해 이소성 회백질의 각 개별 영역을 시드 ROI로 활용하여 시드-복셀 연결 맵을 생성하여 ROI의 평균 BOLD 신호 시계열과 다른 모든 뇌 복셀 사이의 상관 관계를 보여줍니다.
      2. 피험자 간 또는 소스 간 대비에 대한 2단계 분석을 수행합니다(선택 사항). 높이(복셀 수준) 및 범위(클러스터 수준) 임계값을 사용하여 결과를 표시합니다. 수정되지 않은 및 잘못된 발견률 수정된 p-값이 표시됩니다.
5. MRICroN 소프트웨어를 사용하여 펜 도구를 사용하여 TMS에 대해 두 개의 관심 대상(연결된 대상과 연결되지 않은 대상)의 윤곽을 수동으로 설명합니다. "오버레이" 기능을 사용하여 위에서 생성된 기능 연결 맵을 각 피사체의 구조 이미지에 중첩합니다.
   1. 대상 영역이 위에서 설명한 대로 회백질 이지피아에 대한 상당한 기능적 연결성을 갖는 피질 영역인지 확인합니다. 연결되지 않은 대상이 헤테로토피아 ROI에 대한 중요한 기능적 연결성을 나타내지 않는 유사한 크기의 영역이고 TMS 동안 이웃 자극 효과의 위험을 최소화하기 위해 피질 표면의 연결된 대상에서 최소 2.5cm 떨어져 있는지 확인합니다.
   2. 큰 TMS 유발 아티팩트의 가능성이 작도록 표적을 선택합니다. 특히, 측면 측두엽 또는 전두극 영역의 표적은 초기 TMS-EEG 신호를 모호하게 할 수 있는 큰 근육 수축 및/또는 안구 운동 아티팩트를 생성할 가능성이 있으므로 선택하지 마십시오. 설명된 목표를 새 목표 ROI로 저장합니다.
6. 각 과목의 각 목표 ROI에 대한 MNI(Montreal Neurological Institute) 좌표를 결정합니다. 그런 다음 이러한 좌표를 사용하여 각 피험자의 일치하는 건강한 대조군 피험자에서 동등한 두 표적 부위를 식별합니다.

3. TMS-EEG 실험 설정

1. 구조 스캔(일반적으로 고해상도 T1 강조 3D 체적 이미지)을 신경 항법 시스템에 업로드합니다.
2. 신경 내비게이션 소프트웨어를 사용하여 이미지에 원하는 대상을 표시합니다. 또한 자극 세션 동안 공동 등록 및 신경 탐색에 사용될 외부 해부학적 마커(비시온, 양측 이주)를 표시합니다. 회전 가능한 전극과 전극 와이어가 있는 EEG 캡을 사용하는 경우 와이어를 TMS 코일(52)의 장축에 수직으로 향
하게 합니다.
3. 실험 세션 전에 피험자에게 연락하여 TMS-EEG 세션 당일 컨디셔너 또는 기타 헤어 제품(샴푸 허용)을 사용하지 말고, TMS-EEG 세션 전날 저녁에는 알코올 음료를 피하고, TMS 세션 전에 평소 매일 카페인 섭취를 마십니다.

4. 실험 세션

1. 이상적으로는 구조화된 설문지를 통해 피험자가 TMS 안전 기준을 통과하는지 확인합니다. 피험자가 전날 밤에 알코올 음료를 섭취하지 않았는지, 평소 일일 카페인 섭취량보다 훨씬 많거나 적게 마시지 않았는지, 전날 밤 피질 흥분성을 변화시키는 처방전 없이 구입할 수 있는 수면 보조제(예: 디펜히드라민)를 섭취하지 않았는지 확인하고, 일반적인 밤 수면을 취했습니다(수면 부족은 피질 흥분성을 증가시킬 수 있기 때문에).
2. 피험자에게 편안한 의자에 앉으라고 요청하십시오.
3. 피험자에게 EEG 캡을 장착하고 전극을 준비합니다.
   1. 피험자의 머리를 측정하고 낮은 전극 임피던스를 활성화하는 데 도움이 되는 적절한 크기의 EEG 캡을 선택합니다.
   2. 면봉 어플리케이터와 알코올을 사용하여 각 전극 아래의 피부를 철저히 청소합니다.
   3. 각 전극에 전도성 젤을 추가합니다. 전극 사이에 젤이 누출되도록 너무 많이 첨가하면 브리지가 생성되고 서로 다른 전극 간에 공통 신호가 발생할 수 있으므로 젤을 너무 많이 첨가하지 마십시오.
   4. 필요한 경우 두피, 젤 및 전극 사이의 양호한 접촉을 위해 젤을 첨가한 후 각 전극을 눌러 보십시오. 충전 아티팩트를 최소화하려면 젤이 전극 홀더 외부로 퍼지지 않도록 하십시오. 녹음 아티팩트를 최소화하기 위해 컨덕턴스 수준을 균일하게 줄였습니다.
   5. TMS 유도 전극 아티팩트가 전체 기록을 오염시킬 가능성을 최소화하기 위해 기준 전극과 접지 전극을 자극 코일에서 가능한 한 멀리 배치하십시오. 이러한 전극은 피질 활동이 최소화된 "비활성" 영역에서 뼈 구조 위에 배치하는 것이 바람직합니다.
      참고: 표적 위치가 가변적인 연구에서도 전두극 영역에 대한 TMS는 큰 안구 운동, 전두근 및 안면 근육의 수축을 초래할 수 있기 때문에 전두극 영역이 표적으로 선택될 가능성이 낮습니다. 그리고 종종 두피 통증과 두통; 결과적으로, 이러한 영역을 자극하는 동안 TMS-EEG 신호는 종종 큰 인공물에 의해 가려집니다.
   6. 따라서 이러한 영역은 자극 대상으로 선택될 가능성이 낮기 때문에 기준 전극과 접지 전극을 배치하기 위해 이마를 사용하십시오. 공통 모드 소음을 최소화하기 위해 서로 몇 센티미터 이내에 배치하십시오.
      참고: 모든 자극 대상이 한 반구에 있는 상황에서는 반대쪽 유양돌기가 또 다른 옵션이 될 것입니다.
   7. 다음과 같이 전극 임피던스를 확인하십시오. EEG 출력 케이블을 EEG 기록 시스템의 "임피던스" 잭에 꽂은 다음 EEG 시스템의 "임피던스 측정" 버튼을 누릅니다. 전극 임피던스가 5kΩ 이하인지 확인하십시오.
4. 반대쪽 손에 EMG 전극을 준비합니다(첫 번째 등쪽 골간 근육 또는 단무지외전근 사용, 단일 연구에서 피험자 간에 동일한 근육 활용).
5. 청력 상실 및 이명의 위험을 최소화하기 위해 피험자에게 귀마개를 착용하십시오.
   참고: 또 다른 옵션은 녹음 과정 전반에 걸쳐 백색 소음 또는 유색 소음(TMS 클릭과 일치하는 스펙트럼 특징 포함)을 재생하는 이어폰을 TMS에 의해 생성된 청각 클릭을 가리기에 충분한 볼륨으로 사용하는 것입니다. 이것은 TMS 유발 청각 유발 전위의 잠재적 혼란을 최소화하는 추가 이점이 있을 것입니다. 참고로 청각 유발 전위를 최소화하기 위해 코일과 두피 사이에 얇은 거품 층이 필요합니다.
6. 적외선 감지기를 피험자의 머리에 배치하여 실험 세션 중 움직임의 위험을 최소화하는 방식으로 감지기를 배치하도록 합니다.
7. 신경 항법 장비에 포함된 포인터를 사용하여 피험자에서 미리 선택된 외부 해부학적 기준 마커(섹션 3.2)의 위치를 식별하여 피험자의 머리를 MRI 이미지와 공동 등록합니다.
8. 다른 곳(예: 피험자의 팔)에 펄스를 적용하거나 저강도 자극 펄스(예: 최대 자극기 출력 5%)를 두피에 적용하여 피험자에게 자극에 익숙해지도록 합니다.
9. 휴식 운동 역치(5/10 시도에서 최소 50μV 크기의 운동 유발 전위를 생성하는 최소 강도)를 결정합니다. 그러한 방법 중 하나인 상대 주파수 방법은 다음과 같습니다.
   1. fMRI 연결 기반 표적과 동측 반구에서 피험자의 운동 피질의 위치를 결정합니다. 신경항법을 사용할 때 이것은 일반적으로 중심전회에 있는 "오메가" 영역에 있습니다. 핸들이 후두부를 향하도록 코일을 이랑에 수직으로 각도를 맞
   춥니다.
   2. 임계값 이하로 예상되는 강도(예: 최대 자극기 출력의 35%)로 자극을 시작합니다.
   3. TMS가 각 시험에서 진폭이 50μV인 운동 유발 전위(MEP)를 일관되게 유발할 때까지 최대 자극기 출력 5% 단계> 자극 강도를 증가시킵니다.
   4. 그런 다음 10개 중 5개 미만의 양성 반응이 기록될 때까지 최대 자극기 출력 1% 단계로 자극 강도를 줄입니다.
      참고: 이 자극 강도에 1을 더한 값은 운동 역치로 정의됩니다. 또는 적응형 임계값 기술을 사용하여 더 적은 자극으로 운동 임계값을 식별합니다.
10. 대상 부위를 자극하려면 TMS 강도를 원하는 값(예: 120% 휴식 운동 역치)으로 설정합니다.
    참고: 그러나 두피-피질 거리에 상당한 지역적 변화가 있는 경우(예: 전두엽 위축 환자의 경우) 이러한 기술은 역치 이하 자극을 초래할 수 있습니다. 또는 유도된 전기장의 온라인 추정을 수행할 수 있는 적절한 신경 항법 시스템을 사용하면 자극의 강도를 피질 표면에서 계산된 유도 전기장의 특정 진폭(V/m)으로 설정할 수도 있습니다.
11. 피질 가소성 및 피험자 기대 효과를 최소화하기 위해 펄스 사이에 가변 간격으로 신경 항법 소프트웨어를 사용하여 각 대상 영역에 TMS의 단일 펄스를 적용합니다(예: 누적 효과를 피하기 위해 최소 3초의 간격으로 4 - 6초마다). 일관성을 최대화하려면 핸들이 후외측을 향하도록 코일을 기본 회의 장축에 수직으로 기울

이십시오.

재료