Het in kaart brengen van de na-effecten van Theta Burst stimulatie over de menselijke auditieve cortex met Functionele Beeldvorming

Samenvatting

Auditieve verwerking is de basis van spraak en muziek-gerelateerde verwerking. Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is met succes gebruikt voor de cognitieve, sensorische en motorische systemen te bestuderen, maar zelden is toegepast om auditie te doen. Hier onderzochten we TMS gecombineerd met functionele Magnetische Resonantie Imaging aan de functionele organisatie van de auditieve cortex te begrijpen.

Samenvatting

Auditieve cortex betrekking heeft op de verwerking van geluid, dat aan de basis ligt van spraak of muziek-gerelateerde verwerking ^1. Echter, ondanks aanzienlijke recente vooruitgang, de functionele eigenschappen en lateralisatie van de menselijke auditieve cortex zijn nog lang niet volledig begrepen. Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een niet-invasieve techniek die kan tijdelijk of blijvend corticale prikkelbaarheid moduleren via de toepassing van gelokaliseerde magnetische veld pulsen, en vertegenwoordigt een unieke methode van het verkennen van plasticiteit en connectiviteit. Het is pas onlangs begonnen toe te passen op auditieve corticale functie ² te begrijpen.

Een belangrijk probleem bij het gebruik van TMS is dat de fysiologische gevolgen van de stimulatie moeilijk te bepalen. Hoewel veel studies TMS maken de impliciete aanname dat het gebied waarop het spoel het getroffen gebied, hoeft dit niet het geval, vooral voor complexe cognitieve functies which afhankelijk van interacties in vele gebieden van de hersenen ^3. Een oplossing voor dit probleem is om TMS te combineren met functionele magnetische resonantie imaging (fMRI). Het idee hier is dat fMRI zal een index van veranderingen in hersenactiviteit geassocieerd met TMS. Zo zou fMRI geven een onafhankelijke manier is om de welke gebieden worden beïnvloed door TMS en hoe ze worden gemoduleerd ^4. Bovendien fMRI worden nagegaan of functionele verbinding, die een maat is voor de tijd koppeling tussen gelegen gebieden vertegenwoordigt. Het kan dus nuttig zijn om niet alleen de netto activiteit geïnduceerd door modulatie TMS in bepaalde locaties, maar ook de mate waarin het netwerk eigenschappen worden beïnvloed door TMS, via alle waargenomen veranderingen in functionele connectiviteit meten.

Verschillende benaderingen bestaan ​​om TMS en functionele beeldvorming op basis van de tijdelijke orde van de methoden te combineren. Functionele MRI kan worden toegepast voor, tijdens, na of zowel voor als na TMS. Onlangs, Sommige studies interleaved TMS en fMRI om online in kaart brengen van de functionele veranderingen bij TMS ^{5 tot 7} te bieden. Maar deze online combinatie heeft vele technische problemen, waaronder de statische artefacten als gevolg van de aanwezigheid van de TMS spoel in de scanner kamer of het effect van TMS pulsen op het proces van MR beeldvorming. Maar vooral de luid akoestisch lawaai veroorzaakt door TMS (verhoogd vergeleken met standaard gebruik vanwege de resonantie van de scanner boring) en het verhoogde TMS spoel trillingen (veroorzaakt door de sterke mechanische krachten door het statische magnetische veld van de MR scanner) vormen een cruciaal probleem bij het bestuderen van auditieve verwerking.

Dit is een reden waarom fMRI werd uitgevoerd voor en na TMS in de huidige studie. Vergelijkbare benaderingen zijn gebruikt om de motorische cortex ^8,9, premotorische cortex ^10, primaire somatosensorische cortex ^11,12 en taal-gerelateerde gebieden ¹³ richten, Maar tot nu toe geen gecombineerd TMS-fMRI studie heeft onderzoek gedaan naar de auditieve cortex. Het doel van dit artikel is om details over het protocol en de overwegingen die nodig zijn om succesvol te combineren deze twee neurowetenschappelijke instrumenten om auditieve verwerking te onderzoeken.

Eerder toonden we aan dat repetitieve TMS (rTMS) bij hoge en lage frequenties (resp. 10 Hz en 1 Hz) die boven de auditieve cortex gemoduleerde responstijd (RT) in een melodie discriminatie taak ^2. We toonden ook aan dat de RT modulatie was gecorreleerd met functionele connectiviteit in het auditieve netwerk beoordeeld met behulp van fMRI: hoe hoger de functionele connectiviteit tussen links en rechts auditieve cortex tijdens de taakuitvoering, hoe hoger de faciliterende effect (verlaagd RT) waargenomen met rTMS. Maar deze bevindingen waren voornamelijk correlationeel, zoals fMRI werd uitgevoerd voor rTMS. Hier werd fMRI uitgevoerd vóór en onmiddellijk na TMS direct maatregelen voorzienvan de functionele organisatie van de auditieve cortex, en meer bepaald van de plastic reorganisatie van het auditieve neurale netwerk die zich na de neurale tussenkomst door TMS.

Gecombineerd fMRI en TMS toegepast over de auditieve cortex in staat moet stellen een beter begrip van de hersenen mechanismen van auditieve verwerking, het verstrekken van fysiologische informatie over functionele effecten van TMS. Deze kennis kan nuttig zijn voor vele cognitive neuroscience toepassingen, als voor een optimaal therapeutische toepassingen van TMS, met name auditieve aandoeningen.

Protocol

Het protocol bestaat uit een tweedaagse (niet noodzakelijkerwijs opeenvolgende). De eerste dag bestaat uit een fMRI localizer samengesteld met een anatomische en functionele MRI-scans om voor elke deelnemer de gebieden die moeten worden gericht met TMS. De tweede dag bestaat uit de fMRI sessies pre-en post-TMS waar TMS wordt toegepast in de scanner met behulp van een speciale MR compatibel TMS spoel (Magstim Ltd, Wales, UK) en een frameloze stereotactische systeem (Brainsight). Deze wordt gebruikt om in real-time de TMS spoel corticale gebieden ten opzichte van anatomische en functionele gegevens van elke deelnemer.

1. Localizer Sessie

• Begin met het verwerven van een hoge-resolutie anatomische afbeelding van uw deelnemer.
• Vervolgens verwerft functionele beelden met een gradiënt echo EPI impuls en een dunne bemonstering paradigma om elke BOLD effect of gehoormaskeringskromme door MRI scan ruis ^14,15 minimaliseren. In ons geval wordt fMRI uitgevoerd dijdens een melodie taak waarbij deelnemers te bepalen of twee opeenvolgende 5-noot melodieën hetzelfde of verschillend ^2,16. Een non-discriminatie auditieve controle taak is ook opgenomen, waarin onderwerpen hoort twee gelijke lengte patronen van vijf noten, allemaal op dezelfde toonhoogte C5 en krijgen de opdracht om op de linkerknop na de tweede stimulus klikken. Periodes van stilte worden ook willekeurig ingevoegd tussen de taak proeven in elke run. In totaal worden 72 trials gepresenteerd in willekeurige volgorde: 24 proeven van de melodie discriminatie, 24 auditieve controle proeven en 24 perioden van stilte, voor een totale duur van 12 min. 16 sec.
• Definieer de stimulatie site met behulp van anatomische en / of functionele bezienswaardigheden. Men moet beseffen dat TMS beperkt is wat betreft de diepte van de stimulatie plaats omdat de demping van de elektrische veldsterkte in diepte en kan niet verwachten gebieden dieper dan 3 cm ^6,17 bereiken. Een belangrijke stap is vergelijkbaar oriëntatiepunten voor elk deelicipant, hetgeen moeilijk kan zijn vanwege de verschillen in anatomie en functie tussen deelnemers. Hier richten we ons op Heschl's gyrus in elke deelnemer, gelokaliseerd met behulp van zowel anatomische en functionele bezienswaardigheden. We maken gebruik van maskers van gyrus Heschl's die door de Harvard-Oxford structurele atlassen ( http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html ) en de TMS doel wordt individueel bepaald door de piek van activering binnen de Heschl de gyrus ^2. Daarnaast hebben wij tevens de vertex positie, die wordt gebruikt als een controle plaats om te controleren voor niet-specifieke effecten van TMS als akoestische en somatosensorische artefacten. De vertex is anatomisch gedefinieerd als een punt midden tussen de Inion en de brug van de neus, en op gelijke afstand van de rechter en linker intertragal inkepingen. De volgorde van de site van de stimulatie (dat wil zeggen Heschl's gyrus of vertex) wordt gecompenseerd overindividuen.

2. Pre-en post-TMS fMRI Experiment

Pre-TMS fMRI sessie

• Bereid de deelnemer om direct naar de scanner. Dit geldt ook voor het verwijderen van metaal en het vullen van de TMS-en MR-screening vorm.
• Start de MR overname met een anatomische en functionele scans (identiek aan die uitgevoerd in de localizer sessie, zie hoofdstuk 1).

Frameless stereotaxie en TMS in de MRI-omgeving

De frameloze stereotaxie systeem bestaat uit een infrarood camera (Polaris Spectra), een aantal tools en trackers (Brainsight) gebruikt voor de registratie procedure en een computer. De computer is gelegen buiten de scanner kamer, maar bij de ingang van de kamer en de scanner scanner deur blijft geopend gedurende de TMS toepassing. De instrumenten en trackers MR verenigbaar en het statief (zelfgemaakte) ondersteunen de infrarood camera en therefore gebruikt in de scanner kamer. De infraroodcamera is niet MR-compatibel, en daarom wordt zodanig in de scanner kamer, bij scanner deur ongeveer twee meter van de scanner bed (zie discussie veiligheid procedure). De TMS stimulator-systeem zich in een ruimte grenzend aan de MRI scanner kamer. We gebruiken een MRI-compatibel TMS spoel zich in de scanner en aangesloten op de TMS systeem via een 7-m kabel door een RF filterbuis.

• Laad uw deelnemer anatomische en functionele beelden en het stimuleren van de kerndoelen in de stereotactische softwarepakket (bijv. Brainsight). Hier zullen we gericht op de juiste Heschl de gyrus.
• Na de pre-TMS fMRI overname, verwijder de bovenste MR hoofd spoel een deel van de 32-kanaals head coil (bij gebruik van de Siemens 3T scanner en de 32-kanaals head coil configuratie).
• Schuif vervolgens naar beneden de deelnemer op de scanner bed.
• Bevestig de hoofdband en tracker set op de Participmier hoofd.
• Monteer de multi-jointed arm aan op de scanner bed en bevestig de MR compatibel TMS spoel op de arm.
• Controleren of alle trackers en de spoel in het gezichtsveld van de camera. Hier wordt de camera iets naar rechts van de deelnemer gemakkelijker volgen van de spoel staat verplaatsingen bij het targeten de rechter hemisfeer.
• Kalibreer uw onderwerp het hoofd met de stereotaxie tools (dat wil zeggen pointer tool). Dit wordt gedaan door coregistering verschillende bezienswaardigheden op het hoofd van de deelnemer (bijvoorbeeld in ons geval de punt van de neus, de nasion en de tragus van beide oren) met dezelfde oriëntatiepunten op de anatomische gegevens. In deze procedure worden twee onderzoekers nodig, een dicht bij het hoofd van de deelnemer op de aanwijzer positioneren op het hoofd van de deelnemer, en de andere onderzoeker aan de ingang van de scanner kamer naar de registratie op de computer.
• Plaats de MR compatibel TMS spoel raakt aan thij hoofdhuid en spoel trackers gericht de infrarood camera. De spoel is georiënteerd met de spoel handvat naar achteren en evenwijdig aan de middellijn ^2. Bevestig de spoel positie met behulp van de schroeven op de multi-jointed-arm.
• In de kamer naast de MRI-scanner, schakel het TMS-systeem en beginnen stimulatie. TMS wordt toegepast na een patroon protocol, dat wil zeggen, continue theta burst stimulatie (cTBS) bestaat in 3 pulsen bij 50 Hz, herhaald op 5 Hz voor 40s. We maken gebruik van een vaste stimulatie-intensiteit (41%), gedefinieerd door de stimulator uitgang ^18,19. We kozen voor dit protocol is aangetoond te moduleren corticale plasticiteit voor een duur tot 30 minuten na beëindiging stimulatie in gezonde populaties ^20, (zie bespreking sectie voor veiligheid procedure).

Post-TMS fMRI sessie

• Zodra stimulatie voltooid, is het belangrijk om het voorwerp terug naar de scanner zo spoedig mogelijk. Verwijder de TMS spoel van de scanner kamer, en verwijder de multi-jointed-arm. Schuif de deelnemer hoofd in de MR hoofd spoel. Zorg ervoor dat uw scanner is voorbereid en klaar om te gaan. Ons advies is om het lichaam geheven platform gedurende de hele TMS sessie te houden, en het aantal en de duur van localizer scans tot een minimum beperkt.
• Omdat de effecten van rTMS zijn van voorbijgaande aard, moet de definitieve scan-sessie te starten met de functionele scan. Nogmaals, voerden we fMRI tijdens een 12-minuten lopen van de melodie taak.
• Na de laatste scan voltooid is, eindigen met een anatomische scan.

3. Representatieve resultaten

Analyses van fMRI worden afzonderlijk uitgevoerd voor zowel de pre-en post-TMS fMRI sessie. Voor elke fMRI sessie (dat wil zeggen, pre-en post-TMS), het contrast tussen de melodieën en de auditieve controletaak toont taakgerelateerde activiteit in de linker en rechter Heschl's gyri, superieure temporale gyri, inferieure frontale gyri en precentrale gyri (Figuur 1 A, B). Verschillen tussen pre-en post-TMS fMRI sessies te evalueren, we een willekeurig effect analyse met gepaarde Student's t-test. Significantie wordt bepaald volgens clusters geïdentificeerd door az> 2 drempel en een gecorrigeerde cluster drempel van p = 0,05. Figuur 1 C de contrast post-minus-pre cTBS voor een deelnemer. De gegevens suggereren dat cTBS gericht op de juiste Heschl de gyrus (zwarte cirkel) verhoging van fMRI respons in de contralaterale (linker) auditieve cortex, inclusief de linker gyrus Heschl's induceert. Veranderingen in fMRI reactie worden ook gevonden in de linker postcentralis gyrus, links insula en in de laterale occipitale cortex bilateraal. Echter geen significante verandering in fMRI respons gezien onder de spoel. Daarnaast wordt een soortgelijke gecombineerde TMS-fMRI protocol herhaald om de vertex (controleplaats) stimuleren. Vergelijking van pre-en post-fMRI sessies cTBS aangebracht op de vertex vertoonde geen significant effect (data niet getoond).

Figuur 1. Analyse van individuele pre-TMS fMRI data (A), post-TMS fMRI data (B) en post-minus-pre TMS fMRI data (C). A. Resultaten van de melodie contrast discriminatie minus auditieve controle experimenten gedurende enkele deelnemer in de pre-TMS fMRI zitting (A) en in de post-TMS fMRI zitting (B). Van links naar rechts: axiale, coronale en sagittale uitzicht. In zowel (A) en (B), de TMS spoel gericht op de juiste Heschl de gyrus (zwarte cirkel) zich op x = 54, y = -13, z = 1 (MNI152 standaard ruimte). Voor zowel pre-en post-TMS fMRI sessies worden coördinaten weergegeven x = -54, y = -13, z = 1 (MNI152 standaard ruimte) veranderingen in de linker hersenhelft laten op de plaats van stimulatie (bijv. rechts Heschl de gyrus ). C. Resultaten van het contrast post-minus-pre TMS fMRI sessies met gepaarde Student's t-test.

Discussie

We beschrijven een protocol combineert offline TMS en fMRI om de functionele organisatie van de auditieve cortex te onderzoeken. In de volgende paragrafen bespreken we de methodologische factoren te overwegen bij het uitvoeren van een dergelijke aanpak.

Acquisitie en het tijdschema voor post-TMS fMRI sessie

Volgorde van scans acquisitie en tegenwicht van pre-en post-TMS fMRI sessies

Het is cruciaal om een ​​MR anatomische scan v...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Materiaalnaam	Type	Vennootschap
Transcraniële magnetische stimulatie	Magstim super Rapid2 stimulator, Rapid-2 Plus One Module	Magstim Ltd, Wales, Verenigd Koninkrijk
Spoel voor magnetische stimulatie	MRI-compatibele 70 mm figuur-van-acht-spoel	Magstim Ltd, Wales, Verenigd Koninkrijk
Magnetic resonance imaging	3-T Siemens Trio scanner, 32-kanaals Head Coil	Siemens, Inc, Duitsland
Frameless stereotaxie	Brainsight	Rogue Research Inc, Montreal, Canada
Optische meetsysteem	Polaris Spectra	Noord-Digital Inc, Ontario, Canada
Multi-scharnierarm voor spoelhouder	Standaard	Hybex innovationen Inc, Anjou, Canada
MRI-compatibele Insert Oortelefoon	Sensimetrics, Model S14	Sensimetrics Corporation, MA, USA