Artykuł metodologiczny

Połączenie przezczaszkowej stymulacji magnetycznej i fMRI w celu zbadania sieci aktywności spoczynkowej (Default Mode Network)

12.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/2271

⸱

28 grudnia 2010

 ,  ,  , 
1Berenson-Allen Center for Noninvasive Brain Stimulation, Beth Israel Deaconess Medical Center

W tym artykule

Podsumowanie

W niniejszym artykule omawiamy metodologię oraz kwestie istotne dla łączenia TMS i fMRI w celu zbadania wpływu stymulacji mózgu na sieć stanu spoczynkowego.

Streszczenie

Sieć stanu spoczynkowego (default mode network) to grupa obszarów mózgu, które są aktywne, gdy jednostka nie koncentruje się na świecie zewnętrznym, a mózg znajduje się w stanie „czuwania w spoczynku”.1,2,3 Uważa się, że sieć stanu spoczynkowego odpowiada za procesy autoreferencyjne lub „wewnętrzne myślenie”.2,3

Postawiono hipotezę, że u ludzi aktywność w obrębie sieci stanu spoczynkowego (default mode network) koreluje z określonymi patologiami (na przykład nadaktywność powiązano ze schizofrenią 4,5,6 i zaburzeniami spektrum autyzmu 7, podczas gdy hypoaktywność tej sieci powiązano z chorobą Alzheimera oraz innymi chorobami neurodegeneracyjnymi 8). W związku z tym nieinwazyjna modulacja tej sieci może stanowić potencjalną interwencję terapeutyczną w przypadku wielu patologii neurologicznych i psychiatrycznych związanych z nieprawidłową aktywacją sieci. Jednym z możliwych narzędzi służących do przeprowadzenia takiej modulacji jest przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (Transcranial Magnetic Stimulation): nieinwazyjna technika neurostymulacyjna i neuromodulacyjna, która pozwala na przejściową lub trwałą modulację pobudliwości kory (zarówno jej zwiększanie, jak i zmniejszanie) poprzez przyłożenie lokalnych impulsów pola magnetycznego.9

W celu zbadania skłonności oraz tolerancji sieci stanu spoczynkowego (DMN) na modulację, połączymy TMS (skierowany na lewy dolny płat ciemieniowy) z funkcjonalnym rezonansem magnetycznym (fMRI). W niniejszym artykule omówimy protokół oraz kwestie niezbędne do skutecznego połączenia tych dwóch narzędzi neuronaukowych.

Protokół

1. Przygotowanie

  1. W pierwszej kolejności należy wykonać bazowy skan anatomiczny obiektu. Powinno to zostać zrobione na kilka dni przed właściwym eksperymentem.
  2. Następnie należy wczytać skan do oprogramowania do stereotaksji bezramowej.
  3. Na koniec należy zlokalizować i wyznaczyć współrzędne stymulacji. W tym przypadku celem będzie lewy dolny zakręt płata ciemieniowego.

2. Skanowanie wstępne

  1. W dniu eksperymentu badany ponownie zostanie umieszczony w skanerze MRI.
  2. Należy rozpocząć od skanowania anatomicznego.
  3. Następnie należy przeprowadzić trzy funkcjonalne serie pomiarowe. W tym eksperymencie zadanie jest bardzo proste: w centralnym polu widzenia badanego wyświetlany jest punkt fiksacyjny, na który osoba ta ma po prostu pasywnie patrzeć.

3. Przygotowanie TMS

  1. Ponieważ efekty rTMS są przejściowe, czas ma kluczowe znaczenie przy łączeniu TMS i fMRI. Niezbędne jest umieszczenie badanego w skanerze tak szybko, jak to możliwe po zaprzestaniu stymulacji. Z tego powodu zaleca się stosowanie przenośnego urządzenia TMS rozmieszczonego w pomieszczeniu sąsiadującym lub znajdującym się jak najbliżej stanowiska do skanowania. W tym przypadku wykorzystujemy przenośny zestaw w pomieszczeniu obserwacyjnym bezpośrednio obok skanera.
  2. Wczytaj obraz MRI bazowego obrazowania badanego, wykonany przed celowaniem, do pakietu oprogramowania stereotaktycznego.
  3. Na koniec połącz i skalibruj cewkę stymulującą z urządzeniem do stereotaksji – w tym przypadku ustawimy zestaw czujników podczerwieni, aby zarejestrować centralność cewki.

4. Określanie parametrów TMS

  1. Po przybyciu badanego, posadź go wygodnie w fotelu.
  2. Następnie przeprowadź kalibrację głowy badanego za pomocą urządzenia stereotaktycznego. W tym przypadku użyjemy czujników podczerwieni do zarejestrowania kilku punktów orientacyjnych: obu uszu, nosa oraz nasionu.
  3. Wyznacz spoczynkowy próg motoryczny badanego.
  4. W celu pobudzenia kory badanego ustawimy urządzenie TMS na 20 Hz przy mocy stymulacji wynoszącej 110% progu motorycznego. W celu zahamowania kory badanego ustawimy urządzenie TMS na 1 Hz przy 110% progu motorycznego. Chociaż w trakcie pełnego badania należy zbadać oba parametry, w niniejszym artykule skupimy się wyłącznie na pobudzającej serii rTMS o częstotliwości 20 Hz.
  5. Na koniec ustaw schemat stymulacji składający się z 2-sekundowych serii i 28-sekundowych okresów odpoczynku.

5. Stymulacja TMS

  1. Przed rozpoczęciem stymulacji przygotuj badanego do bezpośredniego przejścia do skanera po zakończeniu TMS. Obejmuje to usunięcie przedmiotów metalowych oraz upewnienie się, że badany skorzystał z toalety.
  2. Trzymając cewkę stycznie do skóry głowy, użyj sprzętu do stereotaksji, aby zlokalizować i wyznaczyć miejsce stymulacji u badanego.
  3. Włącz system chłodzenia cewki urządzenia.
  4. Rozpocznij stymulację! W ramach niniejszego protokołu przeprowadzimy łącznie 45 serii stymulacji. Przy czasie 2 s na serię i 28 s przerwy, całkowity czas stymulacji wyniesie 23 minuty.

6. Powrót do skanera

  1. Po zakończeniu stymulacji ważne jest, aby jak najszybciej umieścić badanego ponownie w skanerze. Aby to przejście było jak najbardziej płynne, upewnij się, że skaner jest przygotowany i gotowy do pracy. Zalecamy podniesienie platformy pod ciało oraz ograniczenie liczby i czasu trwania skanów lokalizacyjnych do niezbędnego minimum.

7. Skan końcowy

  1. Ponieważ efekty rTMS są przejściowe, ostatnia sesja skanowania powinna rozpocząć się od serii funkcjonalnych. Ponownie przeprowadzimy trzy 6-minutowe serie pasywnej fiksacji.
  2. Po zakończeniu serii eksperymentalnych należy wykonać skan anatomiczny.

8. Reprezentatywne wyniki

figure-protocol-1
Rycina 1.Dane sugerują, że stymulacja rTMS o częstotliwości 20 Hz w obrębie lewego dolnego zakrętu kątowego, mimo że zwiększa lokalną pobudliwość, działa ograniczająco na łączność funkcjonalną w obrębie sieci stanu spoczynkowego.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Podczas przeprowadzania eksperymentu TMS/MRI w trybie offline, najważniejszym aspektem jest prawdopodobnie szybkie i sprawne przejście z miejsca stymulacji do pomieszczenia z rezonansem magnetycznym. W związku z tym warto ponownie rozważyć kilka wspomnianych wcześniej sugestii, które mają ułatwić ten proces. Po pierwsze: należy użyć przenośnego urządzenia TMS, ustawionego w miejscu tak blisko pomieszczenia MRI, jak to tylko możliwe. Po drugie: należy wyłączyć wszelkie automatyczne tryby czuwania lub równoważne mechaniz...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
MRI przystosowany do fMRI (na filmie przedstawiono urządzenie Philips)
Urządzenie TMS z możliwością stymulacji powtarzalnej (na filmie przedstawiono urządzenie Magstim)
Sprzęt do stereotaksji bezramkowej (na filmie przedstawiono system Brainsight)
Zatyczki do uszu
Krzesło dla badanej osoby podczas stymulacji
Ekran projekcyjny z tyłu lub gogle kompatybilne z MRI
Ekran z pustymi bodźcami

Bibliografia

  1. Raichle, M. E., MacLeod, A. M., Snyder, A. Z., Powers, W. J., Gusnard, D. A., Shulman, G. L. A default mode of brain function. Proc. Nat. Acad. Sciences. 98 (2), 676-682 (2001).
  2. Buckner, R. L., Andrews-Hanna, J. R., Schacter, D. L. The brain's default network: anatomy, function and relevance to disease. Ann. N.Y. Acad. Sci. 1124, 1-38 (2008).
  3. Raichle, M. E., Snyder, A. Z. A default mode of brain function: a brief history of an evolving idea. Neuroimage. 37 (4), 1083-1090 (2007).
  4. Whitfield-Gabrieli, S., Thermenos, H. W., Milanovic, S., Tsuang, M. T., Faraone, S. V., McCarley, R. W., Shenton, M. E., Green, A. I., Nieto-Castanon, A., LaViolette, P., Wojcik, J., Gabrieli, J. D., Sidman, L. J. Hyperactivity and hyperconnectivity of the default network in schizophrenia and in first-degreerelatives of persons with schizophrenia. Proc. Nat. Acad. Sciences. 106 (4), 1279-1284 (2009).
  5. Pomarol-Clotet, E., Salvardor, R., Sarro, S., Gomar, J., Vila, F., Martinez, A., Guerrrero, A., Ortiz-Gil, J., Sans-Sansa, B., Capdevila, A., Cebamanos, J. M., McKenna, P. J. Failure to deactivate the prefrontal cortex in schizophrenia: dysfunction of the default mode network? Psychol Med. 38 (8), 1185-1193 (2008).
  6. Garrity, A. G., Pearlson, G. D., McKiernan, K., Lloyd, D., Kiehl, K. A., Calhoun, V. D. Aberrant "default mode" functional connectivity in schizophrenia. American Journal of Psychiatry. 164, 450-457 (2007).
  7. Kennedy, D. P., Redcay, E., Courchesne, E. Failing to deactivate: Resting functional abnormalities in autism. Proc. Nat. Acad. Sciences. 103 (21), 8275-8280 (2007).
  8. c Buckner, R. L., Snyder, A. Z., Shannon, B. J., LaRossa, G., Sachs, R., Fotenos, A. F., Sheline, Y. I., Klunk, W. E., Mathis, C. A., Morris, J. C., Mintun, M. A. Molecular, structural, and functional characterizations of Alzheimer's disease: evidence for a relationship between default activity, amyloid, and memory. Journal of Neuroscience. 34, 7709-7717 (2005).
  9. Handbook of Transcranial Magnetic Stimulation. Pascual-Leone, A., Davey, M., Wassermann, E. M., Rothwell, J., Puri, B. , Edward Arnold. London. (2002).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Funkcjonalny rezonans magnetycznyfMRI w stanie spoczynkupobudliwo koryneuronawigacjadolny zakr t ciemieniowypr g motorycznykonektywno m zgowasieci stanu spoczynku

Powiązane artykuły