기본 모드 네트워크를 검사하기 위해 Transcranial 자석 자극과 fMRI를 결합

이 실험 절차의 전반적인 목표는 반복적 경두개 자기 자극을 통해 피질 흥분도를 변화시킨 후, 기능적 MRI를 사용하여 디폴트 네트워크 뇌 활성화에 미치는 영향을 조사하는 것입니다. 이를 위해 먼저 피질 자극 부위를 설정하는 데 사용할 피험자의 기저 해부학적 스캔 영상을 획득합니다. 절차의 두 번째 단계는 자극을 가하기 전에 여러 차례의 휴지기 fMRI 데이터를 수집하는 것입니다.

절차의 세 번째 단계는 조절 효과를 위해 선택된 자극 파라미터를 사용하여 선택된 피질 표적에 TMS를 적용하는 것입니다. 절차의 마지막 단계는 다시 한번 기능적 영상 데이터를 여러 회차에 걸쳐 획득하는 것입니다. 최종적으로, 혈중 산소 농도 의존적 영상 분석을 통해 디폴트 네트워크 활성화에서 TMS로 인해 유도된 변화를 보여주는 결과를 얻을 수 있습니다.

이 기술이 FMRI 단독 사용보다 갖는 주요 장점은 TMS를 통해 특정 영역을 조절함으로써 네트워크 역학을 관찰할 수 있다는 점입니다. 이 방법은 인지 신경과학 분야의 핵심 질문들에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 디폴트 네트워크와 같은 특정 휴지기 네트워크 내의 상호작용을 더 잘 규명할 수 있을 뿐만 아니라, 디폴트 네트워크와 다른 휴지기 상태 네트워크 간의 상호작용을 더 잘 이해하는 데에도 도움이 됩니다.

실제 TMS 및 기능적 영상 실험을 수행하기 며칠 전, 피험자를 스캐너로 안내하여 TMS 시술 중 뉴로내비게이션에 사용할 기초 해부학적 스캔을 진행하십시오. 먼저 피험자가 다음 사항을 완료하도록 하십시오.

연구 동의서 및 기타 모든 연구 관련 서류를 포함하여 필요한 모든 서류를 준비하십시오. 표준 MRI 스크리닝 양식을 포함하고, 이를 검토하여 스텐트나 동맥류 클립과 같이 MRI 촬영에 금기 사항이 없는지 확인하십시오. 또한, 이 기회에 피험자의 TMS 사전 스크리닝을 실시하고 실험의 세부 사항을 설명하십시오.

다음으로, 피험자를 스캐너로 안내하여 스캐너 베드에 눕힙니다. 귀, 코, 두피를 포함한 머리 전체가 포함되도록 시야(field of view)를 설정하여 T1 강조 3D SPGR MP rage 또는 이와 유사한 스캔 영상을 획득해야 합니다. 슬라이스 두께는 약 1 mm를 권장합니다.

TMS 시술 중 신경 내비게이션에 사용할 프레임리스 정위 소프트웨어 패키지에 이 스캔 데이터를 로드하고, 해당 소프트웨어를 사용하여 자극 좌표를 찾고 설정하십시오. 본 실험에서는 실험 당일 여기에서 확인되는 좌측 하두정엽을 타겟으로 합니다. RTMS의 신경 조절 효과는 일시적이며, TMS와 fMRI 결합 실험을 수행할 때는 타이밍이 매우 중요하다는 점을 유념하십시오.

따라서 실험 단계 간의 신속한 전환을 보장하기 위해 다음과 같은 조치를 취해야 합니다. 먼저, 휴대용 TMS 장치를 스캐닝 베이와 인접하거나 가능한 한 가까운 방에 배치하십시오. 본 실험에서는 시스템을 스캐너 바로 옆의 관찰실에 설치하였습니다.

하지만 MRI 호환이 되지 않는 모든 장비는 항상 5가우스 라인 외부에 위치하도록 주의하십시오. 둘째, 피험자로부터 이전에 획득하고 사전 타겟팅한 해부학적 MRI가 정위 소프트웨어 패키지에 로드되어 TMS 절차 중에 사용할 준비가 되었는지 확인하십시오. 마지막으로, 정위 장비를 자극 코일에 부착하고 선택한 소프트웨어 패키지를 사용하여 코일을 교정하십시오.

여기에서는 코일 중심도를 등록하기 위해 한 세트의 적외선 센서가 정렬되어 있습니다. 실험 설정이 완료되면, MRI 안전성 재검사를 통해 피험자를 MRI 스캔 준비시키고, 모든 금속 물질을 제거하게 하며 화장실 이용 여부를 확인하십시오. 피험자를 스캐너실로 안내하여 스캐너 침대에 편안하게 위치시키고, 편안함을 보장하기 위해 필요한 경우 등과 목을 지지해 주십시오.

스캔하는 동안 헤드 코일을 연결하고 피험자의 머리 주변에 폼 패딩을 사용하여 머리 움직임으로 인한 아티팩트를 줄이십시오. LOCALIZER 스캔과 초기 및 해부학적 스캔을 획득하십시오. 다음으로, 6분 분량의 기능적 실험 런을 3회 실시하십시오.

TR 2.5초, 복셀 크기 3mm의 에코 평면 영상법(echo planar imaging)과 전뇌 시야(whole brain field of view) 설정을 권장합니다. 각 실행 동안 피험자의 중심 시야에 고정점이 제시되며, 피험자는 편안한 상태에서 이를 수동적으로 응시하도록 안내받습니다. 이와 같은 단순한 고정 과제는 디폴트 네트워크 활성화를 조사하는 데 적합합니다.

초기 기능적 스캔 세션이 완료되면 피험자가 스캐너에서 나올 수 있도록 돕고 편안하게 앉게 하십시오. TMS 설정 근처의 의자를 사용하십시오. 자극 중에 청력을 보호할 수 있도록 귀마개를 제공하십시오.

다음으로, 피험자에게 TMS 기기와 자극 코일을 소개합니다. 피험자가 큰 클릭 소리에 익숙해질 수 있도록 머리 근처에서 펄스를 몇 번 방출하고, 손 위에 펄스를 방출하여 발생하는 두드림 느낌을 체험하게 합니다. 이제 스테레오택시스 장비로 피험자의 머리를 캘리브레이션할 준비가 되었습니다.

먼저 피험자의 머리 이 부분에 적외선 트래커를 부착합니다. 적외선 센서를 사용하여 양쪽 귀, 코, 나시온(nasion)을 포함한 여러 해부학적 지표를 등록합니다. 이러한 지표들은 정위 수술 소프트웨어 패키지에 기록되어, 이전에 획득한 해부학적 스캔 영상이 피험자의 머리에 정합(coregister)되도록 합니다.

다음으로 피험자의 휴식기 운동 역치를 결정합니다. 본 프로토콜에서는 여기에서 보는 것과 같이 일차 운동 피질에 단일 펄스를 사용하며, 코일을 이동시키며 자극 강도를 조절하여 반대측 손에서 8회 중 4회의 근육 수축을 유발하는 부위를 찾습니다. 마지막으로 TMS 장비의 강도와 파라미터를 자극 중에 사용할 설정값으로 맞춥니다.

본 실험에서는 피질 흥분성을 증가시키는 것으로 알려진 2초 자극 및 28초 휴식 패턴의 20 hertz 자극을 운동 역치의 110% 강도로 사용합니다. 향후 실험에서는 억제 효과를 탐색하기 위해 1 hertz 자극을 사용할 수 있습니다. 이제 실험의 TMS 단계를 시작할 준비가 되었으므로, 피험자가 편안한 상태인지 확인하고 즉시 스캐너로 돌아갈 준비가 되었는지 다시 한번 확인하십시오.

TMS 세션 진행 단계입니다. 자극을 시작하기 전, 코일을 두피에 접선 방향으로 유지하고, 스테레오 운동실조(stereo ataxia) 장비와 소프트웨어 디스플레이를 사용하여 이전에 결정된 피험자의 피질 자극 부위를 찾아 설정한 후 기기의 냉각 시스템을 켭니다. 이제 코일을 피질 타겟 위에 유지한 상태에서 자극을 시작합니다.

이전의 정의된 매개변수에 따라 훈련당 2초씩 총 45회의 자극 훈련을 실시합니다. 28초의 휴식 시간을 포함하여 총 자극 시간은 23분이 소요됩니다. TMS 직후에 피험자를 가능한 한 빨리 스캐너 베드로 복귀시켜 일시적인 오프라인 TMS 효과가 감소하도록 최종 기능 영상 세션을 시작하십시오. 기능적 런(run)을 초기화할 수 있도록 로컬라이저 스캔의 횟수와 길이를 최소한으로 줄이십시오. 동일한 고정 패러다임을 사용하는 6분짜리 수동 고정 런 3회로 구성된 초기 스캔과 동일한 영상 매개변수를 빠르게 사용하십시오.

모든 기능적 영상 촬영이 완료되면, 이전에 수행한 세션과 동일한 영상 파라미터를 사용하여 최종 고해상도 해부학적 스캔을 획득하십시오. 마지막으로, 피험자가 스캐너에서 나오는 것을 도와주십시오. 모든 영상 데이터를 전송 및 아카이브하고, 참여해 준 피험자에게 감사를 표하십시오.

최소 15명의 피험자에 대한 데이터가 수집되면, 선택한 fMRI 처리 패키지를 사용하여 영상 후처리 및 후속 다중 피험자 분석을 수행하십시오. 여기에는 좌측 하두정엽에 20 hertz 자극을 가한 대표적인 결과가 제시되어 있습니다. 20 hertz TMS 자극은 국소 흥분성을 촉진하지만, 데이터에 따르면 디폴트 네트워크 내의 기능적 연결성은 감소시킵니다. 이 절차를 시도할 때, rTMS의 일시적인 효과를 영상화할 수 있도록 자극 후 가능한 한 빠르게 피험자를 스캐너로 이동시켜야 함을 유의하십시오.

TMS 자극 파라미터를 변경할 수도 있습니다. 예를 들어, 디폴트 네트워크에 미치는 영향이 파라미터에 따라 달라지는지 평가하기 위해 TMS 기기의 강도를 높일 수 있습니다. 또한 세타 버스트 자극(theta burst stimulation)을 사용할 수도 있습니다.

마지막으로, 인지 과제 수행 중 블록 설계(block design) 또는 사건 관련 설계(event related design)와 같은 다양한 MRI 설계 방식을 TMS 이후에 적용함으로써 TMS의 효과를 확인할 수 있습니다.