Het in kaart brengen van de na-effecten van Theta Burst stimulatie over de menselijke auditieve cortex met Functionele Beeldvorming
12 september 2012
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.
Het algemene doel van deze procedure is om functioneel hersenbeeldvorming te combineren met transcraniële magnetische stimulatie om de auditieve cortex te onderzoeken. Dit wordt bereikt door eerst een functionele Mr.Localizer uit te voeren om het netwerk geassocieerd met een auditieve taak te identificeren. Ten tweede, definieer het stimulatiedoel op basis van gegevens van de functionele Mr.Localizer.
Vervolgens voert u een functionele MR-scan uit om de activiteit in de auditieve cortex te meten vóór stimulatie. Gebruik vervolgens NEURONAVIGATIE-hulpmiddelen om de TMS-spoel ten opzichte van de individuele anatomie en functie van de deelnemer te positioneren. Dit gebeurt terwijl het subject op de scannertafel ligt.
Om te voorkomen dat de deelnemer heen en weer wordt verplaatst vanuit de scannerruimte, is de laatste stap om de deelnemer zo snel mogelijk terug in de scannerbuis te schuiven en de FMRI-acquisitie te starten. Uiteindelijk kan FMRI TMS-geïnduceerde effecten in kaart brengen. De gegevens toonden aan dat na TMS er een functionele reorganisatie in het auditieve netwerk is.
TMS is een unieke tool voor het onderzoeken van causale relaties tussen specifieke hersengebieden en cognitieve functies. De interpretatie ervan is echter beperkt, maar gebrek aan informatie over de locatie en aard van veranderingen in hersenactiviteit veroorzaakt door TMS. Dit is de reden waarom we besloten hebben om TMS te combineren met functioneel beeldvorming om de functionele veranderingen veroorzaakt door TMS te bepalen.
Het verschil tussen onze studie en eerdere studies is dat we TMS binnen de scannerruimte uitvoeren in de standaard offline TMS en FMI. De deelnemer moet de MRI-kamer verlaten, naar een andere kamer gaan om TMS te ontvangen en vervolgens zo snel mogelijk terugkomen. Voor de tweede FMRI-sessie kan dit heen en weer gaan de levensvatbaarheid van hersenveranderingen toevoegen en door TMS in ons protocol worden gebruikt.
De hoofdpositie blijft relatief stabiel, wat kan leiden tot een grotere nauwkeurigheid wanneer we pre en post FM RI-gegevens vergelijken. Bovendien worden de TMS- en gebruikte effecten sneller in kaart gebracht. Dit protocol is verdeeld in een tweedaagse sessie.
De eerste dag bestaat uit een FMRI LOCALIZER-sessie met een anatomische en een functionele scan om de gebieden te definiëren die met TMS moeten worden gericht. De tweede dag bestaat uit FMRI-sessies, zowel voor als na TMS op de eerste dag, waarbij de deelnemer de melodiediscriminatie-taak buiten de scanner oefent. In deze taak geeft het subject aan of twee opeenvolgende vijf-noot-melodieën hetzelfde of anders zijn.
Een niet-discriminatie auditieve controletaak is ook inbegrepen waarbij het subject gelijke lengtepatronen van vijf noten hoort, allemaal op dezelfde toon van C vijf, en drukt op een knop na de tweede toon. Begin vervolgens de MRI-sessie door een hoogwaardige MR-anatomische afbeelding te verwerven. Verwerf vervolgens functionele beelden met behulp van een gradient echo EPI-pulssequentie en een sparse sampling-paradigma om eventuele bold-effecten of auditieve maskering als gevolg van MRI-scannen te minimaliseren.
Gemaakte geluiden nadat het scannen is voltooid. Definieer de stimulatieplaats van het onderwerp met behulp van zowel anatomische als functionele kenmerken. Houd er rekening mee dat TMS beperkt is met betrekking tot de diepte van de stimulatieplaats vanwege de verzwakking van de elektrische veldsterkte en diepte en u kunt niet verwachten gebieden dieper dan drie centimeter te bereiken.
Het is cruciaal om voor elke deelnemer vergelijkbare kenmerken te gebruiken, ondanks verschillen in anatomie en functie tussen individuen. Gebruik daarom anatomische kenmerken om de gyrus van Heschl te lokaliseren zoals gedefinieerd door Harvard Oxford structurele Atlas-maskers. De masker wordt hier in groen weergegeven, vervolgens definieerde het TMS-doel door de piek van activering binnen de gyrus van Heschl te vinden, die hier wordt weergegeven door de blauwe stip.
Loceer ook de vertex als een site om te controleren op niet-specifieke effecten van TMS, zoals akoestische en somatosensorische artefacten. Dit wordt anatomisch gedefinieerd als een punt halverwege tussen het inion en de brug van de neus en gelijkafstand van de rechter en linker interal inkepingen. Merk op dat de volgorde van de stimulatieplaats moet worden gecompenseerd tussen individuen.
Op de dag van het TMS-experiment. Stel al het apparatuur in. Begin met het Frameless stereo taxi-systeem.
Het computersysteem moet buiten de scannerruimte naast de deur worden geplaatst, die tijdens de TMS-toepassing open zal zijn. De registratietools en trackers van het systeem zijn MR-compatibel, evenals een multi-joint arm. De hier gebruikte infraroodcamera is niet MR-compatibel en moet daarom twee meter van het scannerbed worden geplaatst in de scannerruimte nabij de scannerdeur.
Het TMS-stimulatorsysteem moet zich in een kamer naast de MRI-scannerruimte bevinden. Er wordt een MRI-compatibele TMS-spoel gebruikt in de scannerruimte die via een zeven meter kabel via een RF-filterbuis is verbonden met het TMS-systeem, de anatomische en functionele afbeeldingen van de deelnemer en de stimulatiedoelen in het stereotactische softwarepakket. Hier zullen we de rechter gyrus van Heschl van de deelnemer targeten voordat we met de scan beginnen.
Laat het onderwerp een MR-screeningsformulier invullen en verwijder al het metaal. Begin vervolgens met MR-acquisitie met anatomische en functionele scans identiek aan degene die tijdens de localizer-sessie is uitgevoerd. Vervolgens schuift u het scannerbed naar buiten en houdt u het lichaamsplatform tijdens de hele TMS-sessie omhoog.
Verwijder de bovenste Mr.Head-spoel en bevestig de hoofdband en trackerset op de hoofdmontage van de deelnemer. Monteer vervolgens de multi-joint arm aan het scannerbed. Bevestig vervolgens de MR-compatibele TMS-spoel aan de arm. Controleer of alle trackers en de spoel in het gezichtsveld van de camera hier staan.
De camera bevindt zich iets aan de rechterkant van de deelnemer om een gemakkelijkere volgbaarheid van de spoelverplaatsing mogelijk te maken. Bij het targeten van de rechter hemisfeer, kalibreert u het hoofd van uw onderwerp met de stereo taxi-tools, coregistreert u de punt van de neus, de nas en de tragus van beide oren met dezelfde kenmerken op de anatomische gegevens. Hiervoor zijn twee experimenteerd
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie onderzoekt de auditieve cortex met behulp van transcraniële magnetische stimulatie (TMS) in combinatie met functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI). Het doel is om de functionele organisatie van de auditieve verwerking in relatie tot spraak en muziek te begrijpen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Auditieve Verwerking
- Hersenbeeldvorming
Achtergrond
- Auditieve verwerking is cruciaal voor het begrijpen van spraak en muziek.
- TMS is gebruikt in diverse cognitieve en sensorische studies.
- De toepassing van TMS in auditief onderzoek is beperkt.
- Deze studie beoogt dit gat te dichten.
Doel van de studie
- Om fMRI te combineren met TMS voor het bestuderen van de auditieve cortex.
- Om het netwerk te identificeren dat geassocieerd is met auditieve taken.
- Om stimulatiedoelen te definiëren op basis van functionele beeldvormingsgegevens.
Gebruikte methoden
- Voer een functionele mr-localizer uit om auditieve netwerken te identificeren.
- Bepaal de stimulatiedoelen op basis van de localizer-gegevens.
- Voer een functionele mr-scan uit om de activiteit van de auditieve cortex te meten.
- Maak gebruik van neuronavigatietools voor een nauwkeurige positionering van de TMS-spoel.
Belangrijkste resultaten
- Identificatie van specifieke auditieve netwerken in de hersenen.
- Succesvolle targeting van de auditieve cortex voor stimulatie.
- Meting van activiteitsveranderingen vóór en na stimulatie.
- Inzichten in de functionele organisatie van de auditieve verwerking.
Conclusies
- De combinatie van TMS en fMRI is effectief voor auditief onderzoek.
- Deze benadering vergroot het begrip van de functies van de auditieve cortex.
- Toekomstige studies kunnen voortbouwen op deze bevindingen voor diepere inzichten.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Het begrijpen van causale relaties tussen hersengebieden en cognitieve functies is cruciaal voor het verminderen van risico's bij de validatie van neuropsychiatrische targets. De combinatie van TMS met fMRI maakt directe meting van neurale plasticiteit en netwerkreorganisatie mogelijk, wat mechanistische inzichten biedt die het voorspellend vertrouwen in de vroege ontdekkingsfase ondersteunen. Deze aanpak vult een belangrijk hiaat in de ontwikkeling van therapieën gerelateerd aan het gehoor door stimulatie-effecten te koppelen aan functionele uitkomsten.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Onderzoekt therapeutische hypothesen door TMS-geïnduceerde functionele reorganisatie in de auditieve cortex in kaart te brengen.
- Operationele waarde: Maakt gebruik van neuronavigatie om de gyrus van Heschl nauwkeurig te targeten op basis van individuele functionele localisatiedata.
- Voorspellende waarde: Meet signaalveranderingen in de contralaterale auditieve cortex en functionele connectiviteit tussen hemisferen na stimulatie.
Screening & Assayontwikkeling
- Klaarheid van de assay: Bereidt gevalideerde biologische systemen voor via een melodiediscriminatietaak om auditieve netwerken te activeren vóór de beeldvorming.
- Kwantitatieve resultaten: Maakt gebruik van sparse sampling fMRI om auditieve masking te minimaliseren en BOLD-responsen vast te leggen tijdens cognitieve prestaties.
- Reproduceerbaarheid: Handhaaft de stabiliteit van de hoofdpositie tijdens de pre- en post-TMS scans om de betrouwbaarheid van de longitudinale gegevens te verbeteren.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Relevantie voor ziekten: Biedt een kader voor het bestuderen van de plasticiteit van het auditieve netwerk, toepasbaar op aandoeningen zoals tinnitus of tekorten in de auditieve verwerking.
- Translationele continuïteit: Verbindt acute TMS-effecten met veranderingen op netwerkniveau, wat de exploratie van biomarkers voor therapeutische respons ondersteunt.
- Mechanistische risicoreductie: Verduidelijkt of de waargenomen gedragseffecten voortkomen uit directe corticale modulatie of uit netwerk-gemedieerde plasticiteit.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode past binnen workflows voor vroege ontdekking waarbij target engagement en mechanistische risicoreductie voorafgaan aan de assayontwikkeling, waardoor hypothesegestuurde targetvalidatie mogelijk wordt vóór de compound screening.
- Discovery Biology: Ondersteunt causale inferentie door de effecten van TMS op specifieke auditieve netwerken te isoleren met behulp van fMRI-contrasten vóór en na de stimulatie.
- Screening: Stelt assay-klare toestanden vast via gestandaardiseerde prestaties bij cognitieve taken om een consistente netwerkbetrokkenheid te waarborgen.
- Analytics: Genereert kwantitatieve afhankelijke variabelen via signaalverandering in de MNI-ruimte en functionele connectiviteitsmetrieken voor vergelijking tussen condities.
- Translationeel Onderzoek: Verbindt acute neurale modulatie met netwerkreorganisatie, wat input biedt voor downstream preklinische modellen van auditieve dysfunctie.
- Enterprise Reuse: Vestigt een herbruikbaar platform voor het targeten van elke corticale regio met behulp van neuronavigatie en gecombineerde TMS-fMRI.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Vermindert mechanistische ambiguïteit door stimulatie direct te koppelen aan waargenomen functionele veranderingen in de auditieve cortex.
- Operationele waarde: Standaardiseert de targeting via anatomische en functionele ijkpunten (gyrus van Heschel, vertex) over deelnemers heen.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen door fysiologisch bewijs te leveren van target-engagement en netwerkeffecten.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van auditieve targets mogelijk op basis van reproduceerbare plasticiteitsmetrieken.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in TMS-veiligheid, neuronavigatie en het experimentele ontwerp van fMRI.
- Vraagt om MRI-compatibele TMS-apparatuur, RF-filtering en infrarood trackingsystemen.
- Vereist standaardisatie tussen de teams voor neurologie, beeldvorming en cognitieve beoordeling.
- Omvat overwegingen voor aanpassing aan verschillende corticale doelen op basis van dieptebeperkingen (<3 cm) en individuele anatomie.
- Bevat praktische beperkingen, zoals akoestisch geluid van de TMS in de scannerboring, wat auditieve metingen kan beïnvloeden.
