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Research Article
Maria-Ioanna Stefanou1,2, David Baur1,2, Paolo Belardinelli1,2, Til Ole Bergmann1,2, Corinna Blum1,2, Pedro Caldana Gordon1,2, Jaakko O. Nieminen1,2,3, Brigitte Zrenner1,2, Ulf Ziemann1,2, Christoph Zrenner1,2
1Department of Neurology & Stroke,University of Tübingen, 2Hertie Institute for Clinical Brain Research,University of Tübingen, 3Department of Neuroscience and Biomedical Engineering,Aalto University
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
이 논문은 인간의 뇌 네트워크를 연구하고 조절하기 위해 실시간 뇌파 검사 트리거 경두개 자기 자극을 설명합니다.
뇌에 대한 자극의 효과는 자극의 매개 변수뿐만 아니라 자극 시의 뇌 활동의 역학에 달려 있습니다. 실시간 뇌 상태 의존적 자극 시스템에서 뇌파(EEG)와 경두개 자기 자극(TMS)의 조합을 통해 뇌 활동의 역학 관계, 피질 흥분성 및 가소성 유도를 연구할 수 있습니다. . 여기서, 우리는 실시간 데이터 분석 시스템을 사용하여 진행 중인 EEG 진동의 단계와 뇌 자극의 타이밍을 동기화하는 새로 개발된 방법을 입증한다. 인간 모터 피질의 이러한 실시간 EEG 트리거 TMS는, TMS가 감각 운동 μ-알파(8-14 Hz) 리듬의 표면 EEG 음의 피크와 동기화될 때, 차동 피질 척추 각인성 및 가소성 효과를 나타내었다. 이 방법의 활용은 순간 뇌 상태에 대한 실시간 정보가 효과적인 가소성 유도에 사용될 수 있음을 시사한다. 추가적으로, 이 접근은 더 효과적인 치료 두뇌 자극 프로토콜의 발달로 이끌어 낼 수 있는 개인화한 EEG 동기화한 두뇌 자극을 가능하게 합니다.
TMS는 비침습적 뇌 자극을 위한 잘 확립된 방법이며 높은 시공간정밀도1을 가진 코르티코코르티코피칼 및 코르티코피종 신경통로의 지속적인 네트워크 역학 및 연구의 특정 변조를 가능하게 한다1. 1차 모터 피질(M1)을 자극할 때, 신경 반응은 TMS-유발 EEG 전위뿐만 아니라 모터 유발 전위(MEP)로서 정량화될 수 있다. MEP는 표적 근육의 근전도(EMG)에 의해 기록될 수 있고, 그들의 진폭은 1차 모터 피질을자극할 때 피질 각증성을 반영한다 2.
건강한 연구 참가자와 환자에서 뇌 네트워크를 조사하고 조절하는 과학적 도구로서 비침습적 뇌 자극의 독특한 잠재력에도 불구하고, TMS 연구는 큰 시험 - 투 - 재판 및 개인 간 가변성으로 고통받습니다. 3,4,5. 구체적으로, 코르티코척추 각인성 및 가소성의 TMS 연구에서, MEP 응답은 유도된 장기 potentiation (LTP)- 또는 장기 불경기 (LTD)와 같이 가소성, 자극 파라미터일 때조차 높은 본질적인 가변성을 나타낸다 신중하게 제어3,4. 그러나 동물 연구의 증거에 따르면 반응의 관찰된 가변성은 "임의 노이즈"에 기인하지 않고 자극 시 변동하는 뇌 상태와 관련이있음을 나타냅니다 6. 따라서, 실시간 뇌 상태 의존적 자극 패러다임(즉, EEG 트리거링 TMS)에서 EEG와 TMS를 결합함으로써, 변동하는 순간 뇌 상태를 자극 타이밍7,8, 9개 , 10.
여러 연구는 TMS 호환 EEG 시스템11,12를사용하여 신경 흥분성에 지속적인 신경 진동의 순간 단계를 관련. 현대 EEG 증폭기는 큰 전자기 TMS 아티팩트를 처리할 수 있으며, TMS13,14 및 TMS 관련 EEG의 사후 호크 제거와 EEG의 조합에 대해 점점 더 잘 확립된 실험 프로토콜이 존재합니다. 유물15,16. TMS-불러포된 반응에 대한 EEG에 의해 평가된 전자극 뇌 상태의 영향은 사후 Hoc17,18,미리 정의된 뇌에서 TMS의 반복적 인 적용으로 무작위로 적용된 TMS 자극으로 평가될 수 있다. 상태는 실시간 EEG 트리거 TMS11,19가필요합니다.
여기서, 맞춤형 밀리초 해상도 EEG 트리거 TMS 설정은 TMS 펄스를 진행 중인 뇌 진동(11)의소정의 단계와 동기화하는 데 사용되며, 이는 μ-알파 리듬의 부정적인 EEG 편향이 더 높은 부분에 해당한다는 것을 입증한다. 피질 흥분성 상태 (더 큰 MEP 진폭으로 이어지는) 양수 EEG편향에비해 8,11,12,20. 이 원고에서는, 우리는 인간의 두뇌 네트워크를 공부하기 위하여 실시간 EEG 트리거된 TMS 프로토콜을 전송하는 방법을 제시합니다.
다음 섹션에 설명된 모든 실험 절차는 헬싱키 선언의 지침에 따라 기관 윤리 위원회의 승인을 받았으며, 모든 참가자는 연구 등록 전에 서면 으로 동의를 제공했습니다.
1. 학습 참가자
2. 설정 준비
3. 실험 수행
인간 1차 운동 피질에서 실시간 EEG 트리거 TMS의 활용은 차동 피질 극실성 및 가소성 효과를 드러낸다. 위에서 설명한 프로토콜을 사용하여, 실시간 EEG-TMS를 적용하여, 3개의 트리거 조건(양성 피크, 음극 및 무작위 상)에서 내인성 감각 운동 μ-리듬의 진행 중인 EEG 발진 단계와 TMS를 무작위화된 순서로 동기화하였다. . 라클라시안 EEG 몽타주를 사용하여 EEG 전극 C3를 4개의 주변 전극(FC1, FC5, CP1 및 CP5)의 평균으로 참조하여 감각 운동 μ-리듬을 추출하였다. 도 2a는 3개의 미리 정의된 조건에 대한 TMS 펄스 전에 400 ms에서 평균 전자극 EEG 신호를 나타낸다. 오른쪽 근육에서 기록된 평균 유도 MEP는 그림 2b에나와 있습니다. 이러한 결과는 μ-rhythm의 부정적인 EEG 편향이 주목된 코르티코척의 낮은 심방 가변성과 함께 양성 EEG 편향에 비해 더 높은 피질 흥분상태(더 큰 MEP 진폭으로 이어지는)에 해당한다는 것을 보여줍니다. [그림2c]에 제시된 흥분성 효과.

그림 1개 : 뇌 상태 의존적 EEG 단계 트리거 TMS. 좌측 감각운동 피질 위에 C3 전극을 중심으로 한 5채널 라플락시안 몽타주로부터 유래된 두피 EEG 원시 데이터는 실시간 디지털 신호 처리 시스템에 의해 샘플별 샘플을 획득하였다. (a) EEG 데이터의 500ms 슬라이딩 윈도우는 알고리즘에 의해 2 ms. (b) 대역 통과 필터링 및 에지 아티팩트의 제거 후 신호에 의해 처리되었다. (c) 데이터 창에서 계산된 자동 회귀 예측 모델을 기반으로 한 전방 예측 신호(빨간색 추적)입니다. 시간 제로("지금")의 위상은 힐베르트 변환을 사용하여 추정되었고, 스펙트럼 전력은 데이터 창에서 추정되었다. TMS 자극기는 미리 정의된 위상 및 스펙트럼 진폭 조건이 충족되었을 때 트리거되었습니다. 왼쪽 기본 모터 피질 위에 TMS는 표면 EMG로 기록 된 오른쪽 근육에 MEP 결과. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 왼쪽 M에서 실시간 EEG 트리거 TMS를 받은 한 예시적인 피험자의 데이터 1개 , 의 위상을 대상으로 10 Hz 감각 운동 μ-리듬. 100 개의 자극은 각각 3 단계 트리거 조건 (양수 피크, 음수 피크 및 임의 상)에 따라 일정한 최소 10 Hz 스펙트럼 전력 임계 조건과 함께 무작위 순서로 적용되었습니다. 약 3s. 라클라시안 EEG 몽타주를 사용하여 EEG 전극 C3를 4개의 주변 전극(FC1, FC5, CP1 및 CP5)의 평균으로 참조하여 감각 운동 μ-리듬을 추출하였다. (a) 3가지 조건에 대한 TMS 펄스 전에 400 ms에서 의 평균 전자극 EEG 신호. (b) 각 조건에 대한 우측 납치자 pollicis brevis 근육으로부터 기록된 모터의 평균 EMG 트레이스(MEP)를 불러일으켰다. (c) 트리거 조건에 따라 시간 동안 각 시험의 피크 대 피크 MEP 진폭(마이크로볼트)입니다. MEP는 음수 피크 조건에서 가장 크고, 양수 피크 조건에서 가장 작고, 임의 위상 조건에서 중간값입니다. (d) 각 조건의 평균 MEP 진폭은 평균의 표준 오차를 보여주는 오류 막대와 함께 표시됩니다. 특히 명확한 효과를 가진 참가자는 그림 으로 선택되었으며 이 효과 크기는 그룹 평균을 대표하지 않습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
C.Z. 및 P.C.G.는 독일 연방 경제 에너지부(grant 03EFJBW169)의 연구 보조금 의 기존 이전을 통해 부분적으로 자금을 지원받습니다. C.Z.는 비영리 의료 혁신 재단 (Stiftung für Medizininnovationen, 튀빙겐, 독일)의 파트 타임 직원으로 추가 고용을보고; 이 재단의 자회사는이 문서에 사용되는 실시간 프로세서를 생산하고있다 (의료 혁신 인큐베이터 GmbH, 튀빙겐, 독일).
이 논문은 인간의 뇌 네트워크를 연구하고 조절하기 위해 실시간 뇌파 검사 트리거 경두개 자기 자극을 설명합니다.
C.Z. 의학 학부의 임상 과학자 프로그램에서 지원을 인정, 튀빙겐 대학. U.Z.는 독일 연구 재단(ZI 542/7-1)의 지원을 인정합니다. T.O.B.는 독일 연구 재단(BE 6091/2-1 보조금)의 지원을 인정합니다. J.O.N.은 핀란드 아카데미(결정 제294625및 306845)의 지원을 인정합니다. 저자는 튀빙겐 대학의 오픈 액세스 출판 기금에 의해 지원을 인정.
| EEG 및 EMG 기록 시스템 | |||
| EEG/EMG 증폭기 | 실시간 디지털 출력이 있는 NeurOne, Bittium Biosignals Ltd., 핀란드 | ||
| TMS 장치 | MAG & 더 많은 연구 100, MAG & More GmbH, 독일 | 뮌헨 | |
| 소프트웨어 | Mathworks Simulink Real-Time (Mathworks Ltd, 미국) | ||
| 반사 헤드 트래커, 포인터 도구, 헤드 트래커 | 를 포함한 스테레오 적외선 카메라 뉴로네비 | ||
| 시스템 EEG 시스템, TMS 자극기, 실시간 장치 및 뉴로내비게이션 시스템 | |||
| EEG 전자, EMG 전극, 주사기, 연마재 및 전도성 젤 | |||
| 에 연결된 실험 제어 PC플라스틱 랩 및 접착 테이프 |