Een Multimodaal Beeldverwerking en-stimulatie gebaseerde methode voor de beoordeling Connectivity-gerelateerde Brain Exciteerbaarheid bij patiënten met epilepsie

Het algemene doel van dit experiment is om regionale corticale hyperexciteerbaarheid bij patiënten met epilepsie te evalueren met behulp van rusttoestand-functionele connectiviteit, MRI-gestuurde transcraniële magnetische stimulatie in combinatie met gelijktijdige EEG-registratie. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen op het gebied van epilepsie en neurofysiologie, zoals de vraag of patiënten met epilepsie bewijzen vertonen van hyperexciteerbaarheid in regio's waarvan wordt aangenomen dat ze deel uitmaken van het epileptogene netwerk. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat deze kan worden gebruikt om verschillen in cerebrale exciteerbaarheid als functie van connectiviteit te beoordelen en om corticale reactiviteit in diverse verschillende hersengebieden te evalueren.

Deze techniek heeft implicaties voor de diagnose en behandeling van epilepsie, aangezien corticale hyperexcitabiliteit kan worden geïdentificeerd, zelfs wanneer het routinematige EEG normaal is, en epileptogene circuits therapeutisch kunnen worden aangepakt. De procedure wordt gedemonstreerd door Tamara Gedankian, een research assistant in mijn laboratorium. Bepaal vóór de testen de twee TMS-doelregio's door de functionele connectiviteitskaart van elk subject over het structurele beeld van elk subject te leggen.

Om de experimentsessie te beginnen, brengt u de proefpersoon naar de testruimte en laat u deze in de stoel plaatsnemen. Meet het hoofd van de proefpersoon en selecteer een elektro-encefalografie- (of EEG-) kap van de juiste maat om lage electrode-impedanties mogelijk te maken. Reinig vervolgens de huid onder elke elektrode grondig met een wattenstaafje en alcohol.

Breng geleidingsgel aan op elke elektrode en druk de elektrode aan om een goed contact tussen de hoofdhuid, de gel en de elektrode te waarborgen. Om oplaadartefacten te minimaliseren, moet ervoor worden gezorgd dat de gel niet buiten de elektrodehouder verspreidt. Plaats de referentie- en grounding-elektroden op het voorhoofd, zo ver mogelijk van de stimulatiespoel, om de kans te minimaliseren dat een door TMS geïnduceerd elektrodeartefact de volledige opname vervuilt.

Plaats deze elektroden binnen enkele centimeters van elkaar om common-mode ruis te minimaliseren. Druk vervolgens op de knop voor het meten van de impedanties op het EEG-systeem. Controleer de elektrode-impedanties door de EEG-uitgangskabels in de impedantiestekker van het EEG-registratiesysteem te pluggen.

Zorg ervoor dat de impedantie van de elektrode niet groter is dan 5 kΩ. Bereid vervolgens de elektromyografie-elektroden voor op de contralaterale hand. Geef de proefpersoon oordoppen om het risico op gehoorverlies en tinnitus te minimaliseren.

Plaats vervolgens de infrarooddetectoren op het hoofd van de proefpersoon, waarbij u ervoor zorgt dat de detectoren zo zijn geplaatst dat het risico op beweging tijdens de experimentele sessie wordt geminimaliseerd. Coregistreer het hoofd van de proefpersoon met de MRI-beelden door de locatie van de vooraf geselecteerde, externe anatomische fiduciale markers op de proefpersoon te identificeren met de pointer die bij de neuronavigatieapparatuur is inbegrepen. Maak de proefpersoon vertrouwd met de stimulatie door een puls op een andere plek toe te passen of door een stimulatiepuls met lage intensiteit op de hoofdhuid toe te passen.

Bepaal de rustmotorische drempelwaarde door de motorische cortex van de proefpersoon te lokaliseren op het hemisfeer ipsilateraal aan de doelen op basis van functionele connectiviteit. Plaats de spoel loodrecht op de gyrus met het handvat in occipitale richting en begin de stimulatie bij een intensiteit die naar verwachting onder de drempelwaarde ligt. Verhoog vervolgens de stimulatie-intensiteit in stappen van 5% van de maximale stimulatoroutput totdat TMS consistent motorisch geëvoceerde potentialen opwekt met amplitudes groter dan 50 microvolts in elke trial.

Verlaag de stimulatie-intensiteit in stappen van 1% van de maximale output van de stimulator totdat er minder dan vijf positieve reacties op 10 worden geregistreerd. Stel vervolgens de TMS-intensiteit in op de gewenste waarde. Pas enkelvoudige TMS-pulsen toe op elk van de doelgebieden met behulp van de neuronavigatiesoftware, met variabele intervallen tussen de pulsen om corticale plasticiteit en verwachtingseffecten bij de proefpersoon te minimaliseren.

Begin met het uitvoeren van een eerste ronde van een Independent Component Analysis, of ICA, en verwijder de één tot twee componenten die de grote, door TMS geïnduceerde initiële spieractivatie vertegenwoordigen. Om dit te doen, voert u ICA uit met de fast ICA-methode met de symmetrische benadering en de 10 contrastfunctie, met behulp van het hier getoonde commando. Identificeer componenten die overeenkomen met het TMS-artefact door Tools, Reject data using ICA te selecteren, en verwijder componenten op basis van de kaart (remove components by map), waardoor topografische kaarten van alle ICA-componenten worden weergegeven.

Klik vervolgens op het nummer van elk component om de details van het component weer te geven. Verwijder daarna de artefact-componenten door Tools en vervolgens Remove components te selecteren en de relevante componentnummers in te voeren in het veld Component(s)to remove from data. Druk in het bevestigingsvenster dat verschijnt op Plot ERPs om de event-related potentials, of ERP's, te beoordelen die het resultaat zijn van de verwijdering van de geselecteerde componenten.

Om de effecten van individuele trials te bekijken, drukt u op Plot single trials. Na het beoordelen van de ERP drukt u, net als bij de individuele trials, op de knop Accept om de geselecteerde componenten te verwijderen. Voer een tweede ronde ICA uit en verwijder componenten die overeenkomen met artefacten van drift, knipperen, spieren en elektrode-ruis.

Voer hiervoor ICA uit met de fast ICA-methode, waarbij de symmetrische benadering en de tan-contrastfunctie worden gebruikt, op dezelfde wijze als bij de eerste ICA-ronde. Evalueer op dezelfde manier de componenteigenschappen met de topografische kaart, zoals gedaan in de eerste ICA-ronde. Markeer vervolgens de componenten die consistent zijn met residuele TMS-decay-artefacten, knipperartefacten en spierartefacten.

Markeer daarnaast componenten die consistent zijn met kanaalruis op basis van de ruimtelijke en temporele distributie. Verwijder ten slotte de gemarkeerde componenten, op dezelfde wijze als in de eerste ronde van ICA, door Tools, Remove components te selecteren en de relevante componentnummers in te voeren in het veld Component(s)to remove from data. Functionele connectiviteits-MRI in rusttoestand wordt gebruikt om regio's op het corticale oppervlak te identificeren met connectiviteit naar de regio's van heterotopie.

TMS op deze regio's produceert een abnormaal verhoogde vertraagde activiteit in vergelijking met regio's die geen abnormale connectiviteit vertonen en in vergelijking met dezelfde locaties bij gezonde controles. Hier kan bronlokalisatie van de abnormale late pieken in de door TMS opgewekte potentialen bij patiënten met epilepsie de hersenregio's identificeren waaruit de abnormale activiteit voortkomt. Dit kan ruimtelijk colokaliseren met de epileptische focus van de patiënt.

Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht moeten hebben in het gebruik van resting-state functionele connectiviteit, MRI-gestuurde TMS-EEG om de hersenexcitabiliteit in verschillende regio's te evalueren bij patiënten met epilepsie en andere neuropsychiatrische aandoeningen. Na deze procedure kunnen andere methoden, zoals repetitieve TMS, worden uitgevoerd om te bepalen of het verlagen van de corticale excitabiliteit in hersenregio's die deel uitmaken van het pathogene netwerk de ziekteactiviteit kan beïnvloeden.