De combinatie van Transcranial Magnetic Stimulation en fMRI om de standaard-modus Netwerk Onderzoek

Het algemene doel van deze procedure is om de corticale exciteerbaarheid te beïnvloeden met behulp van repetitieve transcraniële magnetische stimulatie, en vervolgens deze effecten op de activering van het default-netwerk in de hersenen te onderzoeken met functionele MRI. Dit wordt bereikt door eerst een anatomische baseline-scan van de proefpersoon te maken, die gebruikt kan worden voor het targeten van een corticale stimulatieplaats. De tweede stap van de procedure is het uitvoeren van meerdere runs van rusttoestand-fMRI voorafgaand aan de stimulatie.

De derde stap van de procedure is het toepassen van TMS op het geselecteerde corticale doelwit met stimulatieparameters die zijn gekozen vanwege hun modulerende effecten. De laatste stap van de procedure is het opnieuw uitvoeren van meerdere runs van functionele beeldvorming. Uiteindelijk kunnen resultaten worden verkregen die TMS-geïnduceerde veranderingen in de activatie van het default network laten zien via een analyse van bloed-zuurstofgehalte-afhankelijke beeldvorming.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van FMRI alleen is dat we met TMS één gebied kunnen moduleren om netwerkdynamiek te observeren. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen binnen het veld van de cognitieve neurowetenschappen. Het kan niet alleen interacties binnen een bepaald rustnetwerk, zoals het default network, beter verduidelijken, maar ons ook helpen de interacties tussen het default network en andere rusttoestandsnetwerken beter te begrijpen.

Verschillende dagen voorafgaand aan de feitelijke TMS- en functionele beeldvormingsexperimenten. Laat uw proefpersoon naar de scanner komen voor een anatomische basisscan die zal worden gebruikt voor neuronavigatie tijdens de TMS-procedure. Begin met het laten invullen door uw proefpersoon.

Alle benodigde papieren, inclusief een formulier voor geïnformeerde toestemming voor onderzoek en eventuele andere studiedocumenten. Voeg een standaard MRI-screeningsformulier toe en loop dit na om er zeker van te zijn dat er geen contra-indicaties voor MRI zijn, zoals stents of aneurysmaclips. Gebruik deze gelegenheid ook om de proefpersoon voor te screenen voor TMS en leg de details van het experiment uit.

Breng vervolgens de proefpersoon naar de scanner en positioneer hem of haar op de scantafel. Er moet een T1-gewogen 3D SPGR MP-RAGE scan of een vergelijkbare scan worden uitgevoerd met een beeldveld (field of view) dat het volledige hoofd omvat, inclusief de oren, neus en hoofdhuid. Een plakdikte van ongeveer 1 mm wordt aanbevolen.

Laad deze scan in uw frameloze stereotactische softwarepakket dat wordt gebruikt voor neuronavigatie tijdens de TMS-procedure en gebruik deze software om uw stimulatiecoördinaten te lokaliseren en te bepalen. Voor dit experiment richten we ons op de linker inferior parietal lobe, zoals hier te zien is op de dag van het experiment. Houd er rekening mee dat de neuromodulerende effecten van rTMS tijdelijk zijn en dat timing van essentieel belang is bij het uitvoeren van gecombineerde TMS- en fMRI-experimenten.

Om een tijdige overgang tussen de experimentele stappen te waarborgen, moeten daarom de volgende maatregelen worden genomen. Plaats eerst een draagbaar TMS-apparaat in een ruimte die direct aan de scanruimte grenst of er zo dicht mogelijk bij staat. In dit experiment is het systeem opgesteld in de observatieruimte naast de scanner.

Zorg er echter voor dat alle apparatuur die niet MRI-compatibel is te allen tijde buiten de vijfmeterlijn blijft. Ten tweede moet worden gewaarborgd dat de eerder verkregen en vooraf getargete anatomische MRI van de proefpersonen is geladen in het stereotactische softwarepakket en gereed is voor gebruik tijdens de TMS-procedure. Bevestig tot slot de stereotactische apparatuur aan de stimuleringsspoel en kalibreer de spoel met het gekozen softwarepakket.

Hier is een set infraroodsensoren uitgelijnd om de centraliteit van de spoel te registreren. Zodra de experimentele opstelling is voltooid, bereidt u de proefpersoon voor op de MRI-scan door de MRI-veiligheid opnieuw te controleren, de proefpersoon alle metalen voorwerpen te laten verwijderen en ervoor te zorgen dat hij of zij toiletbezoek heeft afgelegd. Breng de proefpersoon naar de scanruimte en positioneer hem of haar comfortabel op de scantafel, waarbij indien nodig ondersteuning voor de rug en nek wordt geboden om het comfort te waarborgen.

Sluit tijdens de scans de hoofdspoele aan en gebruik schuimrubberen vulling rond het hoofd van de proefpersoon om bewegingsartefacten van het hoofd te verminderen. Voer de LOCALIZER-scans uit, gevolgd door een initiële en een anatomische scan. Voer vervolgens drie functionele experimentele runs van zes minuten uit.

Wij stellen de volgende parameters voor: echo-planaire beeldvorming met een TR van 2,5 seconden, een voxelgrootte van drie millimeter en een beeldveld van de gehele hersenen. Tijdens elke run wordt een fixatiepunt in het centrale gezichtsveld van de proefpersoon gepresenteerd, waarbij de proefpersoon de instructie krijgt om te ontspannen en er passief naar te staren. Een eenvoudige fixatietaak zoals deze is geschikt voor het onderzoeken van de activatie van het default-netwerk.

Zodra de eerste functionele scansessie is voltooid, helpt u de proefpersoon uit de scanner en laat u hem of haar comfortabel gaan zitten op een stoel naast de TMS-opstelling. Verstrek oordoppen voor gehoorbescherming tijdens de stimulatie.

Introduceer vervolgens de proefpersoon aan het TMS-apparaat en de stimuleringsspoel. Ontlaad een paar pulsen nabij het hoofd van de proefpersoon, zodat hij of zij gewend raakt aan het harde klikgeluid, en ontlaad een puls over de hand, zodat hij of zij het tikkende gevoel dat dit veroorzaakt kan ervaren. Nu bent u klaar om het hoofd van de proefpersoon te kalibreren met de stereotaxische apparatuur.

Plaats eerst hier een infraroodtracker op het hoofd van de proefpersoon. Infrarode sensoren worden gebruikt om verschillende anatomische referentiepunten te registreren, waaronder beide oren, de neus en het nasion. Deze referentiepunten worden geregistreerd door het stereotactische softwarepakket, zodat de eerder verkregen anatomische scan kan worden gecoregistreerd met het hoofd van de proefpersoon.

Bepaal vervolgens de rustmotorische drempelwaarde van uw proefpersoon. Gebruik voor dit protocol, zoals hier te zien is, enkelvoudige pulsen over de primaire motorische cortex; verplaats de spoel en pas de stimulatie-intensiteit aan totdat u het gebied vindt dat vier van de acht spiertrekkingen in de contralaterale hand opwekt. Stel tot slot de intensiteit en parameters van het TMS-apparaat in op de waarden die tijdens de stimulatie zullen worden gebruikt.

Voor dit experiment wordt een stimulatie van 20 hertz bij 110% van de motorische drempel gebruikt, met een stimulatiepatroon van treinen van twee seconden en rustperioden van 28 seconden, waarvan is aangetoond dat het de corticale exciteerbaarheid verhoogt. In toekomstige experimenten kan een stimulatie van één hertz worden gebruikt om inhiberende effecten te onderzoeken. We zijn nu klaar om met het TMS-gedeelte van het experiment te beginnen, dus zorg er opnieuw voor dat de proefpersoon comfortabel zit en klaar is om direct terug te keren naar de scanner.

Na de TMS-sessie. Houd de spoel vóór de stimulatie tangentieel aan de hoofdhuid en gebruik de stereo-ataxieapparatuur en het softwarescherm om de eerder bepaalde corticale stimulatieplaats van de proefpersoon te lokaliseren en te richten; schakel het koelsysteem van het apparaat in. Houd de spoel nu boven het corticale doelwit en begin met de stimulatie.

Voer 45 stimulatietreinen uit met de eerder gedefinieerde parameters, met twee seconden per trein. Met pauzes van 28 seconden moet de totale stimulatietijd 23 minuten bedragen. Zorg er direct na de TMS voor dat de proefpersoon zo snel mogelijk wordt teruggebracht naar de scantafel, en begin met de laatste functionele beeldvormingssessie om ervoor te zorgen dat tijdelijke offline TMS-effecten worden geminimaliseerd. Beperk het aantal en de duur van de localizer-scans tot een absoluut minimum, zodat de functionele runs kunnen worden gestart. Gebruik snel dezelfde beeldvormingsparameters als bij de eerste scans, bestaande uit drie runs van zes minuten met passieve fixatie met behulp van hetzelfde fixatieparadigma.

Zodra alle functionele beeldvorming is voltooid, wordt er een laatste anatomische scan met een hoge resolutie gemaakt met dezelfde beeldparameters als in de eerder uitgevoerde sessies. Help tenslotte de proefpersoon uit de scanner. Zorg ervoor dat alle beeldgegevens worden overgedragen en gearchiveerd, en bedank de proefpersoon voor de deelname.

Zodra er gegevens zijn verzameld van ten minste 15 proefpersonen, gebruikt u het fMRI-verwerkingspakket naar keuze voor de postprocessing van de beelden en de daaropvolgende analyse van meerdere proefpersonen; representatieve resultaten voor een stimulatie van 20 hertz van de linker inferieure pariëtale kwab worden hier getoond. Hoewel TMS-stimulatie van 20 hertz de lokale exciteerbaarheid vergemakkelijkt, laten de gegevens zien dat het de functionele connectiviteit binnen het default-netwerk vermindert. Bij het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om te onthouden de proefpersoon na de stimulatie zo snel mogelijk naar de scanner te verplaatsen, zodat de transiënte effecten van rTMS in beeld kunnen worden gebracht.

We kunnen ook de TMS-stimulatieparameters wijzigen. We kunnen bijvoorbeeld de intensiteit van het TMS-apparaat verhogen om vast te stellen of het effect op het default network parametrisch is. We kunnen ook proberen theta-burst-stimulatie te gebruiken.

Ten slotte kunnen we de effecten van TMS waarnemen door na de TMS verschillende soorten MRI-designs toe te passen, zoals blokdesigns of event-related designs, tijdens een cognitieve taak.