Hersenstimulatie met real-time Elektroencephalografie-geactiveerde Transcraniële magnetische stimulatie

De methode combineert EEG en TMS voor realtime hersentoestand afhankelijke hersenstimulatie. Hierdoor kunnen de TMS-pakketten worden gesynchroniseerd met een specifieke fase van voortdurende endogene hersenschommelingen. Hersenstimulatie is een techniek voor het moduleren van de hersenen door het synchroniseren van individuele TMS pulsen met een specifieke EEG gedefinieerde hersentoestand.

Het effect van de stimulatie kan worden geoptimaliseerd. Standaard TMS wordt al gebruikt voor de behandeling van neurologische en psychiatrische ziekten zoals beroerte en depressie. EEG-gesynchroniseerde TMS heeft het potentieel om de behandelingsresultaten te verbeteren met behulp van gepersonaliseerde stimulatieprotocollen.

We gebruiken ook EEG-gesynchroniseerde TMS om de fundamentele neurofysiologie van hersenschommelingen bij de mens te onderzoeken door de effecten te vergelijken die stimuli hebben die identiek zijn, maar worden toegepast tijdens verschillende hersentoestanden. De effecten kunnen subtiel zijn en gemakkelijk worden uitgewassen door andere bronnen van experimentele variabiliteit. We ontdekten dat lage stimulusintensiteit het beste werkt om het effect van zintuiglijk motorisch ritme op corticale spinale prikkelbaarheid waar te nemen.

Voor het uitvoeren van een gesloten lus experiment hersenactiviteit wordt opgenomen door middel van EEG-mogelijkheden van het hoofdhuidoppervlak die worden gedigitaliseerd door een EEG-versterker. Het signaal gaat vervolgens naar de EEG-hoofdeenheid en van daaruit naar het realtime apparaat dat de stimulator controleert, waardoor de signaallus tussen het meten en moduleren van hersenactiviteit wordt gesloten. Het realtime apparaat analyseert de EEG-trillingen en stuurt een triggersignaal naar de TMS-stimulator wanneer aan een vooraf bepaalde triggervoorwaarde is voldaan om een korte stroompuls door de TMS-spoel te laten gaan die op het hoofd wordt geplaatst.

Tijdens het experiment wordt de positie van de spoel op het hoofd bewaakt met een neuronavigatiesysteem. Sluit de realtime-uitvoer van het EEG-systeem aan op de realtime apparaatinvoer en sluit de uitvoer van het realtime apparaat aan op de triggeringang van de TMS-stimulator. Registreer de deelnemer aan de studie in het systeem, om ervoor te zorgen dat het protocol overeenkomt met de lay-out van de EEG-limiet en dat de relevante kanalen naar de realtime-uitvoer worden verzonden.

Op de computer die het realtime apparaat bestuurt, laadt u de software om het realtime apparaat te bedienen en ervoor te zorgen dat de realtime invoerkanalen overeenkomen met de configuratie van het EEG-systeem. Schakel vervolgens de TMS-stimulator in en stel de configuratie in op externe triggering. Om de spoelpositie te bewaken en om een nauwkeurige en consistente TMS-targeting binnen en tussen sessies te bereiken, laden de afzonderlijke structurele MRI-gegevens in de software van het navigatiesysteem voordat het experiment voor elke deelnemer wordt gestart.

Bevestig vervolgens een spoeltracker aan de stimulatiespoel en kalibreer de spoel. Wanneer het systeem klaar is, plaatst u een eeg-dop van de juiste grootte op het hoofd van de deelnemer aan de studie en gebruikt u meetlint om de dop correct te positioneren. Duw het haar opzij, zodat de hoofdhuid zichtbaar is en bereid de hoofdhuid met een schurende gel applicatie.

Breng vervolgens geleidende gel aan op de elektroden en controleer of de EEG-elektrodeimpedantie lager is dan vijf kiloohms. Bedek de EEG-dop met plastic folie en plaats een mesh-dop boven de plastic folie om de kabels in een vaste positie te houden om de EEG-artefactvariabiliteit te verminderen. Breng vervolgens plakband aan om de stabiliteit van de meerdere lagen te verhogen en plak een reflecterende hoofdtracker op het hoofd van het onderwerp om stabiliteit tijdens het experiment te garanderen.

Bevestig het oppervlak EMG-elektroden aan de gereinigde en geschuurde doelspieren en inspecteer visueel de lopende EEG- en EMG-signalen op slechte elektroden. Houd de bipolaire EMG-kabels dicht bij elkaar en dicht bij het lichaam van de deelnemer aan de studie om het ophalen van lijnruis te verminderen. Gebruik vervolgens het aanwijzergereedschap om het hoofdmodel samen te registreren met de relevante anatomische oriëntatiepunten en de EEG-sensorlocaties te lokaliseren om de daaropvolgende schatting van de afzonderlijke bronnen van de EEG-activiteit mogelijk te maken.

Om een realtime EEG-gesynchroniseerd TMS-experiment uit te voeren, bepaal je eerst de exacte locatie waar de TMS van de motorische cortex de sterkste motorische respons van de handspieren oproept. Markeer dan deze hotspot en spoelpositie in de neuronavigatiesoftware. Bevestig vervolgens het hoofd van het onderwerp met een vacuümkussen en bevestig de spoel op de hotspotlocatie met een mechanische arm.

Om de drempelstimulatie-intensiteit te bepalen, pas de stimulatieintensiteit geleidelijk aan totdat 50% van de TMS-pulsen resulteren in een motorische respons. Hier is de intensiteit vastgesteld op 110% van de drempelintensiteit. Om het realtime systeem te configureren om meerdere EEG-kanalen te combineren om een specifieke oscillatie te extraheren, gebruikt u een vijfkanaals laplaciaal filter gecentreerd op elektrode C3 om sensorisch motorritme te extraheren.

Om TMS te activeren op de positieve of negatieve piek van deze oscillatie, stel de fasetriggervoorwaarde willekeurig in op fase nul of fasepi voor elke proef voordat het realtime apparaat wordt ingeschakeld en de volgorde wordt ingesteld om elke twee seconden op een lus te worden herhaald. Voer vervolgens het experiment ongeveer 10 minuten uit om een voldoende aantal proeven te verwerven om fasespecifieke stimulatie-effecten te onderscheiden. Tijdens het experiment wordt de spoelpositie gemonitord op het neuronavigatiesysteem en worden de EEG- en EMG-signalen op het EEG-systeem gemonitord.

De ruwe gegevens evenals pre-stimulus EEG en de post-stimulus spierrespons voor elke aandoening worden ook weergegeven op het EEG-systeem. Het realtime apparaat zal ruimtelijke filtering uitvoeren om het hersengebied van belang en bandpass filtering te richten om de oscillatie van belang te isoleren, het schatten van de momentane amplitude en fase met behulp van autoregressieve voorwaartse voorspelling en de Hilbert transformatie. Dit signaal wordt vervolgens vergeleken met de trigger conditie.

Als aan de vermogensdrempel en fasevoorwaarden wordt voldaan, wordt de stimulator geactiveerd. Met behulp van de weergegeven online hardloopgemiddelden kan de nauwkeurigheid van de fasetargeting en het effect van fase op spierrespons tijdens het experiment worden geschat. In deze cijfers een gemiddelde pre-stimulus EEG-signaal in de 400 milliseconden voor de TMS puls voor drie vooraf gedefinieerde omstandigheden en de gemiddelde ontlokte motor opgeroepen potentialen opgenomen uit de rechterhand spieren worden getoond.

Samen tonen deze resultaten aan dat de negatieve EEG-afbuiging van het microritme overeenkomt met een hogere corticale prikkelbaarheidstoestand die leidt tot grotere motorische potentiële amplitudes in vergelijking met de positieve EEG-afbuiging met een lage variabiliteit van de corticospinale excitabiliteitseffecten. We hebben een stabiel en schoon EEG-signaal nodig. De sleutel is een goed voorbereide studie deelnemer die is ontspannen, comfortabel, en in staat om stil te zitten.

Dit is een eenvoudig te gebruiken plug and play methode om te onderzoeken of grootschalige corticale connectiviteit staten causale effecten hebben in verstoring gebaseerde experimenten. Kijkend naar een gelokaliseerde oscillatie, dat is nog maar de eerste stap. We zijn in staat geweest om bevindingen van deze techniek te gebruiken om aan te tonen dat repetitieve TMS hebben een negatieve piek van de lopende sensorische motor oscillaties resultaten en langdurige potentiëring zoals plasticiteit.

TMS is een veilige en pijnloze procedure. Een zeer zeldzame bijwerking is een epileptische aanval bij kwetsbare personen en af en toe lichte tijdelijke hoofdpijn kan optreden.