실시간 뇌전도-트리거 경두개 자기 자극을 가진 두뇌 국가 의존적인 두뇌 자극
2019년 8월 20일
이 논문은 인간의 뇌 네트워크를 연구하고 조절하기 위해 실시간 뇌파 검사 트리거 경두개 자기 자극을 설명합니다.
이 방법은 실시간 뇌 상태 종속 뇌 자극을 위해 EEG와 TMS를 결합합니다. 이를 통해 TMS 소포는 지속적인 내인성 뇌 진동의 특정 단계와 동기화될 수 있습니다. 뇌 자극은 개별 TMS 펄스를 특정 EEG 정의 뇌 상태와 동기화하여 뇌를 변조하는 기술입니다.
자극의 효과를 최적화할 수 있습니다. 표준 TMS는 이미 뇌졸중과 우울증과 같은 신경 학적 및 정신 질환을 치료하는 데 사용됩니다. EEG 동기화 TMS는 개인화된 자극 프로토콜을 사용하여 치료 결과를 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
우리는 또한 EEG 동기화 TMS를 사용하여 자극이 동일하지만 다른 뇌 상태 동안 적용되는 효과를 비교하여 인간의 뇌 진동의 기본 신경 생리학을 조사합니다. 효과 미묘한 수 있습니다 하 고 쉽게 실험 가변성의 다른 소스에 의해 밖으로 세척. 우리는 낮은 자극 강도가 피질 척추 흥분성에 감각 모터 리듬의 효과를 관찰하기 위해 가장 잘 작동한다는 것을 발견했습니다.
폐쇄 루프 실험을 수행하기 위해 뇌 활동은 EEG 증폭기로 디지털화되는 두피 표면으로부터의 EEG 전위를 통해 기록된다. 그런 다음 신호는 EEG 본체로 전달되어 자극기를 제어하는 실시간 장치로 전달되어 뇌 활동을 측정하고 변조하는 사이의 신호 루프를 닫습니다. 실시간 장치는 EEG 진동을 분석하고 미리 결정된 트리거 조건이 충족되면 TMS 자극기로 트리거 신호를 전송하여 머리에 배치되는 TMS 코일을 통해 짧은 전류 펄스를 전달합니다.
실험 중에 머리에 코일의 위치를 신경 탐색 장치로 모니터링합니다. EEG 시스템의 실시간 출력을 실시간 장치 입력에 연결하고 실시간 장치의 출력을 TMS 자극기의 트리거 입력에 연결합니다. 시스템에 스터디 참가자를 등록하여 프로토콜이 EEG 캡의 레이아웃과 일치하고 관련 채널이 실시간 출력으로 전송되는지 확인합니다.
실시간 장치를 제어하는 컴퓨터에서 소프트웨어를 로드하여 실시간 장치를 제어하고 실시간 입력 채널이 EEG 시스템의 구성과 일치하는지 확인합니다. 그런 다음 TMS 자극기를 켜고 구성을 외부 트리거링으로 설정합니다. 코일 위치를 모니터링하고 세션 안팎에서 정확하고 일관된 TMS 타겟팅을 달성하기 위해 각 참가자에 대한 실험을 시작하기 전에 개별 구조 MRI 데이터를 탐색 시스템 소프트웨어에 로드합니다.
그런 다음 코일 트래커를 자극 코일에 부착하고 코일을 보정합니다. 시스템이 준비되면 스터디 참가자의 머리에 적절한 크기의 EEG 캡을 배치하고 측정 테이프를 사용하여 캡을 올바르게 배치합니다. 두피가 보이게 되도록 모발을 옆으로 밀어 내고 연마 젤 어플리케이션으로 두피를 준비합니다.
그런 다음 전극에 전도성 젤을 적용하고 EEG 전극 임피던스가 5킬로롬 미만이 있는지 확인합니다. EEG 캡을 플라스틱 랩으로 덮고 플라스틱 랩 위에 메쉬 캡을 장착하여 케이블을 고정된 위치에 고정되어 EEG 아티팩트 가변성을 줄입니다. 그런 다음 접착제 테이프를 적용하여 여러 층의 안정성을 높이고 실험 전반에 걸쳐 안정성을 보장하기 위해 피사체의 머리에 반사 헤드 트래커를 테이프로 붙입니다.
표면 EMG 전극을 세척 및 마모된 대상 근육에 부착하고 진행 중인 EEG 및 EMG 신호를 나쁜 전극에 대해 시각적으로 검사합니다. 양극성 EMG 케이블을 함께 가까이 유지하고 연구 참가자의 본체에 가깝게 유지하여 라인 노이즈 픽업을 줄입니다. 그런 다음 포인터 도구를 사용하여 헤드 모델을 관련 해부학 적 랜드마크와 공동 등록하고 EEG 센서 위치를 정확히 찾아 EEG 활동의 개별 소스의 후속 추정을 가능하게합니다.
실시간 EEG-동기화 TMS 실험을 수행하기 위해 먼저 모터 피질의 TMS가 손 근육에서 가장 강력한 모터 반응을 불러 일으키는 정확한 위치를 결정합니다. 그런 다음 신경 탐색 소프트웨어에서이 핫스팟 및 코일 위치를 표시합니다. 다음으로 진공 베개로 피사체의 머리를 고정하고 기계팔로 핫스팟 위치에서 코일을 고정합니다.
임계값 자극 강도를 결정하기 위해 TMS 펄스의 50%가 모터 반응을 초래할 때까지 자극 강도를 점진적으로 조절합니다. 여기서 강도는 임계값 강도의 110%로 설정되었습니다. 여러 EEG 채널을 결합하여 특정 진동을 추출하도록 실시간 시스템을 구성하려면 전극 C3를 중심으로 한 5개의 채널 라플라키아 공간 필터를 사용하여 감각 모터 리듬을 추출합니다.
이 진동의 양수 또는 음수 피크에서 TMS를 트리거하려면 실시간 장치를 무장하고 2초마다 루프에서 반복되는 시퀀스를 설정하기 전에 각 시험마다 상 트리거 조건을 격상 0 또는 위상 파이로 임의로 설정합니다. 그런 다음 약 10분 동안 실험을 실행하여 상 별 자극 효과를 구별하기 위해 충분한 수의 시험을 획득한다. 실험 중 코일 위치는 신경 항법 시스템에서 모니터링되고 EEG 및 EMG 신호는 EEG 시스템에서 모니터링될 것이다.
원시 데이터뿐만 아니라 사전 자극 EEG 및 각 조건에 대한 자극 후 근육 반응도 EEG 시스템에 표시됩니다. 실시간 장치는 관심의 진동을 격리하기 위해 관심있는 뇌 영역과 밴드 패스 필터링을 대상으로 공간 필터링을 수행하여 자동 회귀 예측 및 힐베르트 변환을 사용하여 즉각적인 진폭 및 위상을 추정합니다. 이 신호는 트리거 조건에 비교됩니다.
전원 임계값 및 위상 조건이 충족되면 자극기트리거됩니다. 표시된 온라인 실행 평균을 사용하여, 위상 타겟팅의 정확성과 근육 반응에 대한 위상의 효과를 실험 하는 동안 추정할 수 있다. 이 수치에서 TMS 펄스 가 3개의 미리 정의된 조건 및 오른손 근육으로부터 기록된 평균 유도 모터 방출 잠재력을 나타내기 전에 400밀리초 전에 평균 사전 자극 EEG 신호가 표시됩니다.
이러한 결과를 종합하면 마이크로 리듬의 음의 EEG 편향이 지적 된 코르티코피날 흥분성 효과의 낮은 시험 간 가변성을 가진 양성 EEG 편향에 비해 잠재적 진폭을 유발하는 더 큰 모터로 이어지는 더 높은 피질 흥분성 상태에 해당한다는 것을 보여줍니다. 우리는 안정적이고 깨끗한 EEG 신호가 필요합니다. 열쇠는 편안하고 편안하며 가만히 앉을 수있는 잘 준비 된 연구 참가자입니다.
이것은 플러그 및 플레이 방법을 사용하여 대규모 피질 연결 상태가 변기 기반 실험에서 인과 관계가 있는지 여부를 조사하기 쉽습니다. 한 지역화된 진동을 살펴보면 첫 번째 단계일 뿐입니다. 우리는 반복적인 TMS가 가소성 같이 지속적인 감각 모터 진동 결과 및 장기 전성의 부정적인 피크가 있다는 것을 보여주기 위하여 이 기술의 사실 인정을 사용할 수 있었습니다.
TMS는 안전하고 고통없는 절차입니다. 매우 드문 부작용은 취약한 사람에 간 질 발작 이며 때로는 가벼운 임시 두통이 발생할 수 있습니다.
개요
이 연구는 실시간 뇌전도(EEG)와 경두개 자기 자극(TMS)을 결합하여 인간의 뇌 네트워크를 조사하고 조절하는 방법을 제시합니다. 이 접근법을 통해 진행 중인 뇌 진동의 특정 위상과 TMS 펄스를 동기화하여 신경학적 및 정신과적 상태에 대한 치료 결과를 잠재적으로 향상시킬 수 있습니다.
주요 연구 요소
과학 분야
- 신경과학
- 전기생리학
- 뇌 자극 기술
배경
- 표준 TMS는 다양한 신경학적 및 정신과적 장애 치료에 사용됩니다.
- EEG 동기화 TMS는 개인화된 자극 프로토콜을 제공합니다.
- 다양한 뇌 상태 중 자극 효과를 조사하면 미묘한 신경 생리학적 통찰력을 밝힐 수 있습니다.
- 낮은 자극 강도가 특정 뇌 반응을 관찰하는 데 최적일 수 있습니다.
연구 목적
- 동기화된 TMS가 뇌 진동에 미치는 영향을 탐구합니다.
- 더 나은 치료 결과를 위한 뇌 자극 기술을 최적화합니다.
- 실시간 조절을 통해 뇌 진동의 신경 생리학을 이해합니다.
사용된 방법
- EEG 데이터를 실시간으로 기록하고 분석하여 TMS를 유발합니다.
- TMS 코일은 신경 탐색을 사용하여 정확한 타겟팅을 위해 위치합니다.
- 참가자는 위상 특이적 자극 효과를 평가하기 위해 일련의 시도를 거칩니다.
- EEG 및 EMG 데이터를 모니터링하여 근육 반응을 평가합니다.
주요 결과
- 실시간 EEG 분석을 통해 TMS 펄스의 정확한 타이밍이 가능합니다.
- 시도 중 위상 특이적 자극 효과를 구분할 수 있습니다.
- 저 강도 자극은 뇌 반응 관찰을 향상시킵니다.
- 정확한 코일 위치는 자극 결과의 신뢰성을 향상시킵니다.
결론
- EEG 동기화 TMS는 뇌 네트워크를 연구하기 위한 유망한 기술입니다.
- 이 방법은 뇌 장애에 대한 치료 전략 개선으로 이어질 수 있습니다.
- 위상 의존적 자극의 의미를 완전히 이해하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다.
자주 묻는 질문
Executive Industry Relevance
Real-time EEG-triggered TMS enables precise modulation of cortical excitability by aligning stimulation with endogenous brain oscillations, offering a pathway to de-risk target validation in neuromodulation therapeutics. This approach supports mechanistic interrogation of brain state-dependent responses, improving predictive confidence in early-stage discovery of stimulation protocols for neurological indications. By isolating phase-specific effects, the method enhances translational continuity from basic neurophysiology to personalized therapeutic development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by testing how brain state influences cortical excitability and plasticity induction.
- Operational Value: Provides a controlled system to isolate the effect of stimulation timing on neurophysiological outcomes.
- Predictive Value: Supports target confidence by identifying optimal brain states for efficacious neuromodulation.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Delivers quantifiable, phase-dependent motor evoked potential readouts for standardized stimulation screening.
- Reproducibility: Uses real-time EEG triggering to minimize inter-trial variability in stimulation response measurements.
- Scalability: Supports repeated trials with consistent coil positioning via neuro-navigation for reliable data acquisition.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Bridges basic oscillation research to clinical protocol development by identifying brain states that enhance plasticity.
- Mechanistic De-risking: Clarifies how endogenous rhythms modulate stimulation effects, reducing ambiguity in dose-response relationships.
- Preclinical Alignment: Supports disease-relevant system validation through sensorimotor rhythm targeting in human motor cortex.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical optimization by enabling brain state-stratified evaluation of neuromodulation interventions.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing on how oscillatory phases gate cortical responsiveness to stimulation.
- Screening: Enables assay standardization through phase-locked stimulation and quantifiable EMG-based motor evoked potential measurements.
- Analytics: Provides phase-specific amplitude and latency readouts that allow comparison of stimulation conditions across brain states.
- Translational Research: Supports biomarker alignment by linking EEG phase patterns to plasticity-inducing stimulation windows.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for evaluating stimulation timing across targets, intensities, and oscillation bands.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target engagement by revealing state-dependent modulation of neural circuits.
- Operational Value: Enhances reproducibility through closed-loop EEG triggering and standardized coil targeting.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by identifying stimulation parameters most likely to induce plasticity.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of neuromodulation candidates based on brain state responsiveness.
Implementation Considerations
- Requires expertise in EEG signal processing, TMS safety protocols, and neuro-navigation for accurate targeting.
- Depends on real-time processing infrastructure capable of band-pass filtering, phase estimation, and trigger latency control.
- Necessitates cross-team standardization between electrophysiology, stimulation, and motor outcome measurement teams.
- Involves adaptation considerations when applying the method to different oscillation bands or cortical targets beyond sensorimotor rhythm.
- Relies on low-stimulus intensity paradigms to detect subtle state-dependent effects, as higher intensities may obscure phase-specific modulation.
