Ocena nadpobudliwości mózgu za pomocą przezczaszkowej stymulacji magnetycznej i elektroencefalografii

Streszczenie

Źródło: Shafi, M. M., et al. Multimodalna metoda obrazowania i stymulacji oceny pobudliwości mózgu związanej z łącznością u pacjentów z padaczką. J. Vis. Exp. (2016)

Film przedstawia procedurę stosowania przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (TMS) i elektroencefalografii (EEG) do oceny pobudliwości neuronalnej u pacjentów z padaczką. Szczegółowo opisuje kroki ustawiania głowy pacjenta za pomocą wcześniej nagranego skanu mózgu, umieszczania cewki TMS nad funkcjonalnie połączonym celem korowym i stosowania stymulacji w celu aktywacji obwodów neuronowych. Proces ten obejmuje śledzenie reakcji motorycznych, rejestrowanie sygnałów EEG i porównywanie aktywności mózgu z aktywnością zdrowych osób z grupy kontrolnej w celu zidentyfikowania nadpobudliwości i zlokalizowania strefy wystąpienia napadów.

Protokół

Wszystkie procedury z udziałem ludzi zostały przeprowadzone zgodnie z instytucjonalnymi, krajowymi i międzynarodowymi wytycznymi dotyczącymi dobrostanu ludzi i zostały zweryfikowane przez lokalną instytucjonalną komisję rewizyjną.

1. Wybór tematu

1. Wybór pacjenta do protokołu badawczego.
   1. Zidentyfikuj pacjentów z aktywną padaczką (napady w ciągu ostatniego roku) lub historią padaczki zdalnej (wcześniejsze napady, ale bez napadów w ciągu ostatnich pięciu lat, zarówno na lekach, jak i poza nimi) i okołokomorową heterotopią guzkową w strukturalnym obrazowaniu mózgu.
   2. Należy wykluczyć pacjentów bez napadów padaczkowych w wywiadzie. Należy również wykluczyć pacjentów z alternatywną możliwą etiologią napadów (np. historia urazowego uszkodzenia mózgu, udar, zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych) lub z wynikami EEG zgodnymi z alternatywną diagnozą (np. Padaczka idiopatyczna uogólniona, padaczka mezjalna płata skroniowego).
   3. Wykluczenie pacjentów z dodatkową chorobą neurologiczną lub psychiatryczną lub z jakimkolwiek innym niestabilnym stanem chorobowym. Należy również wykluczyć pacjentów z historią przebytej operacji mózgu, niezdolnością do tolerowania rezonansu magnetycznego (MRI), niedawnym nielegalnym używaniem substancji lub intensywnym spożywaniem alkoholu lub określonymi przeciwwskazaniami do rezonansu magnetycznego lub TMS.
2. Zdrowy wybór obiektu kontrolnego.
   1. Dla każdego pacjenta z okołokomorową heterotopią guzkową (PNH) (w naszym wcześniej opublikowanym badaniu, 8 pacjentów w wieku 20 - 43 lata, średnia 30,25; 3 mężczyzn, 5 kobiet), zidentyfikuj zdrową grupę kontrolną dopasowaną pod względem wieku i płci.
   2. Wykluczenie osób z jakąkolwiek trwającą chorobą neurologiczną lub psychiatryczną lub przyjmujących leki psychoaktywne, wszelkich innych niestabilnych stanów chorobowych, przebytych operacji mózgu, niemożności tolerowania rezonansu magnetycznego, nielegalnego używania substancji lub intensywnego spożywania alkoholu lub jakichkolwiek innych przeciwwskazań do rezonansu magnetycznego lub TMS.

2. Generowanie celów

1. stymulacji Za pomocą systemu MRI 3T uzyskaj strukturalne wycinki całego mózgu o wysokiej rozdzielczości za pomocą sekwencji zależnej od T1. Użyj następujących parametrów akwizycji: 128 warstw na płytę, matryca 256 x 256, pole widzenia (FOV) 256 mm, grubość warstwy 1,33 mm z odstępem międzywarstwowym 0,63 mm, rozmiar woksela 1 x 1 x 1,33 mm³, czas powtarzania (TR) 2,530 ms, czas odwrócenia 1,100 ms, czas echa (TE) 3,39 ms, kąt odwrócenia 7°.
2. Korzystając z systemu MRI 3T, uzyskaj funkcjonalne obrazy w stanie spoczynku za pomocą sekwencji echo-planarnej wrażliwej na kontrast zależny od poziomu natlenienia krwi (BOLD). Podczas wykonywania tego skanowania poinstruuj pacjentów, aby odpoczywali cicho z otwartymi oczami, nie wykonując żadnego konkretnego zadania. Użyj następujących parametrów akwizycji: FOV 256 mm, rozmiar woksela 2,0 x 2,0 x 2,0 mm, TR 6,000 ms, TE 30 ms, kąt obrotu 90°, czas akwizycji 6,4 min.
3. Korzystając z oprogramowania MRICroN, zidentyfikuj każdy dyskretny obszar heterotopii guzkowej (albo każdy pojedynczy guzek, albo nierozłączne ciągłe skupisko guzków). Użyj narzędzia Pióro, aby ręcznie obrysować heterotopijne obszary zainteresowania (ROI), plaster po wycinku w płaszczyźnie osiowej na obrazach strukturalnych T1.
4. Użyj zestawu narzędzi oprogramowania do łączności funkcjonalnej CONN, aby wykonać cztery sekwencyjne kroki przetwarzania danych funkcjonalnych w stanie spoczynku: Konfiguracja, Przetwarzanie wstępne, Analiza i Wyniki.
   1. W przypadku konfiguracji, użyj opcji menu, aby rozpocząć nowy projekt i wprowadzić podstawowe informacje o eksperymencie. Załaduj obrazy funkcjonalne, ponownie wyrównane i zarejestrowane do obrazów anatomicznych dla każdego obiektu.
   2. Załaduj obrazy strukturalne. Załaduj pliki ROI heterotopii utworzone w kroku 2.3. Wprowadzić szczegółowe informacje na temat warunków doświadczalnych; Ponieważ jest to stan spoczynku, wprowadź pojedynczy warunek z początkiem 0 sekund i czasem trwania równym pełnemu czasowi trwania każdej sesji. Przybornik wyodrębni szeregi czasowe heterotopii ROI BOLD. Sprawdź, czy nie ma ewentualnych niespójności.
   3. W przypadku przetwarzania wstępnego, mylące źródła zmienności BOLD obejmują indukowane przez układ oddechowy modulacje głównego pola magnetycznego i pulsacje serca, a także ruch obiektu. Usuń czynniki zakłócające za pomocą zintegrowanej metody opartej na głównych komponentach, która analizuje dane szeregów czasowych z regionów, które prawdopodobnie nie są związane z aktywnością neuronalną, takich jak komory i duże naczynia, w celu zidentyfikowania fizjologicznych procesów szumu. Podgląd całkowitej wariancji wyjaśnionej przez każde z możliwych źródeł mylących. Zastosuj filtr częstotliwości pasmowo-przepustowej (0,01 Hz < f < 0,1 Hz) i wygładzanie gaussowskie (6 mm pełnej szerokości przy połowie maksimum).
      UWAGA: Przybornik domyślnie zidentyfikuje źródła możliwych zakłóceń, w tym sygnał BOLD z istoty białej i płynu mózgowo-rdzeniowego oraz parametry wyrównania (ruch obiektu).
   4. W przypadku analizy i wyników zidentyfikuj źródła zainteresowania jako zwroty z inwestycji w heterotopię. Podgląd miary łączności korelacji (a nie regresji) i wyświetlanie przy użyciu wartości progowych dla współczynników korelacji.
      1. Dla każdego tematu, utwórz mapy połączeń między ziarnami a wokselami, wykorzystując każdy dyskretny region heterotopowej istoty szarej jako początkowy ROI, demonstrując korelację między średnim szeregiem czasowym sygnału BOLD ROI a każdym innym wokselem mózgu.
      2. Wykonaj analizy drugiego poziomu dla kontrastów między obiektami lub między źródłami (opcjonalnie). Wyświetlanie wyników przy użyciu progów wysokości (na poziomie wokseli) i zasięgu (na poziomie klastra); Pokazane są wartości p nieskorygowane i skorygowane o współczynnik fałszywych odkryć.
5. Użyj oprogramowania MRICroN, aby ręcznie nakreślić dwa interesujące obiekty, cel podłączony i cel niepołączony, w przypadku TMS, za pomocą narzędzia Pióro. Korzystając z funkcji "Nakładka", nałóż utworzone powyżej mapy połączeń funkcjonalnych na obrazy strukturalne dla każdego obiektu.
   1. Upewnij się, że region docelowy to obszar kory, który ma znaczącą funkcjonalną łączność z heterotopią istoty szarej, jak opisano powyżej. Upewnij się, że niepołączony cel jest regionem o podobnej wielkości, który nie wykazuje znaczącej funkcjonalnej łączności z żadnym heterotopią ROI i znajduje się co najmniej 2,5 cm od podłączonego celu na powierzchni kory, aby zminimalizować ryzyko efektów stymulacji sąsiedztwa podczas TMS.
   2. Wybierz cele tak, aby prawdopodobieństwo wystąpienia dużych artefaktów wywołanych przez TMS było niewielkie. W szczególności należy unikać wybierania celów w bocznych obszarach skroniowych lub czołowo-biegunowych, ponieważ mogą one powodować duże skurcze mięśni i / lub artefakty ruchu gałek ocznych, które mogą przesłaniać wczesny sygnał TMS-EEG. Zapisz nakreślone cele jako nowe docelowe ROI.
6. Określ współrzędne MNI (Montreal Neurological Institute) dla każdego docelowego zwrotu z inwestycji w każdym badaniu. Następnie użyj tych współrzędnych, aby zidentyfikować równoważne dwa miejsca docelowe w dopasowanym zdrowym obiekcie kontrolnym każdego pacjenta.

3. Konfiguracja eksperymentalna TMS-EEG

1. Prześlij skany strukturalne (zazwyczaj obrazy wolumetryczne 3D o wysokiej rozdzielczości T1-ważone) do systemu neuronawigacji.
2. Korzystając z oprogramowania do neuronawigacji, zaznacz żądane cele na obrazach. Zaznacz również zewnętrzne markery anatomiczne (nasiona, obustronny tragus), które będą wykorzystywane do korejestracji i neuronawigacji podczas sesji stymulacji. Jeśli używasz czepka EEG z obrotowymi elektrodami i drutami elektrodowymi, ustaw druty prostopadle do długiej osi cewki TMS52.
3. Skontaktuj się z badanym przed sesją eksperymentalną, aby przypomnieć mu, aby nie używał odżywek ani innych produktów do włosów (szampon jest dopuszczalny) w dniu sesji TMS-EEG, unikał napojów alkoholowych wieczorem przed sesją TMS-EEG i pił zwykłą codzienną dawkę kofeiny przed sesją TMS.

4. Sesja eksperymentalna

1. Potwierdź, że badany spełnia kryteria bezpieczeństwa TMS, najlepiej za pomocą ustrukturyzowanego kwestionariusza. Potwierdź, że pacjent nie spożywał napojów alkoholowych poprzedniej nocy, nie pił znacznie więcej lub mniej niż jego zwykłe dzienne spożycie kofeiny, nie spożywał dostępnych bez recepty środków nasennych, które zmieniają pobudliwość kory mózgowej (takich jak difenhydramina) poprzedniej nocy i otrzymał typowy sen (ponieważ brak snu może zwiększyć pobudliwość kory mózgowej).
2. Poproś osobę, aby usiadła w wygodnym fotelu.
3. Zamontuj czepek EEG na obiekcie i przygotuj elektrody.
   1. Zmierz głowę osoby badanej i wybierz czepek EEG o odpowiednim rozmiarze, aby umożliwić niskie impedancje elektrod.
   2. Dokładnie oczyść skórę pod każdą elektrodą za pomocą aplikatora z bawełnianą końcówką i alkoholu.
   3. Dodaj żel przewodzący do każdej elektrody. Nie dodawaj zbyt dużo żelu, aby przeciekał między elektrodami, ponieważ może to spowodować powstanie mostka i doprowadzić do wspólnego sygnału między różnymi elektrodami.
   4. W razie potrzeby, aby zapewnić dobry kontakt między skórą głowy, żelem i elektrodą, spróbuj docisnąć każdą elektrodę po dodaniu żelu. Aby zminimalizować artefakty ładowania, upewnij się, że żel nie rozprzestrzenia się poza uchwyt elektrody. Jednorodnie obniżono poziomy przewodności, aby zminimalizować artefakty nagrywania.
   5. Umieść elektrody odniesienia i masowe jak najdalej od cewki stymulującej, aby zminimalizować możliwość zanieczyszczenia całego nagrania przez artefakt elektrody wywołany przez TMS. Zaleca się umieszczanie tych elektrod nad strukturami kostnymi, w przypuszczalnie "nieaktywnych" strefach o minimalnej aktywności korowej.
      UWAGA: Nawet w badaniach, dla których lokalizacje docelowe są zmienne, jest mało prawdopodobne, aby obszary czołowo-biegunowe zostały wybrane jako cele, ponieważ TMS do tych regionów może powodować duże ruchy gałek ocznych, skurcz mięśni czołowych i twarzy, i często ból głowy i głowy głowy; w związku z tym sygnał TMS-EEG podczas stymulacji tych obszarów jest często przesłonięty przez duże artefakty.
   6. Ponieważ jest mało prawdopodobne, aby obszary te zostały wybrane jako cele stymulacji, należy użyć czoła do umieszczenia elektrod odniesienia i uziemienia. Umieść je w odległości kilku centymetrów od siebie, aby zminimalizować hałas w trybie wspólnym.
      UWAGA: W sytuacjach, gdy wszystkie cele stymulacji znajdują się w jednej półkuli, inną opcją będzie przeciwległy wyrostek sutkowaty.
   7. Sprawdź impedancję elektrod w następujący sposób: podłącz wyjściowe EEG do gniazda "impedancja" systemu rejestracji EEG, a następnie naciśnij przycisk "zmierz impedancje" na systemie EEG. Upewnij się, że impedancja elektrody nie jest większa niż 5 kΩ.
4. Przygotuj elektrody EMG na przeciwległej ręce (użyj pierwszego grzbietowego mięśnia międzykostnego lub odwodziciela pollicis brevis; wykorzystaj ten sam mięsień u wszystkich badanych w jednym badaniu).
5. Daj badanemu zatyczki do uszu, aby zminimalizować ryzyko utraty słuchu i szumów usznych.
   UWAGA: Inną opcją byłoby wykorzystanie słuchawek odtwarzających biały szum lub kolorowy szum (z cechami spektralnymi pasującymi do tych kliknięcia TMS) przez cały proces nagrywania, z głośnością wystarczającą do zamaskowania kliknięcia słuchowego wytwarzanego przez TMS; miałoby to dodatkową korzyść w postaci zminimalizowania potencjalnego zakłócenia wywołanych potencjałami słuchowymi wywołanymi przez TMS. Warto zauważyć, że cienka warstwa pianki między cewką a skórą głowy jest również konieczna, aby zminimalizować potencjał słuchowy.
6. Umieść detektory podczerwieni na głowie badanego, upewniając się, że detektory są umieszczone w taki sposób, aby zminimalizować ryzyko ruchu podczas sesji eksperymentalnej.
7. Współrejestruj głowę pacjenta z obrazami MRI, identyfikując lokalizację wstępnie wybranych zewnętrznych anatomicznych markerów odniesienia (sekcja 3.2) na obiekcie za pomocą wskaźnika, który jest dołączony do sprzętu do neuronawigacji.
8. Zapoznaj osobę badaną ze stymulacją, stosując impuls w innym miejscu (np. na ramieniu badanego) lub stosując impuls stymulacyjny o niskiej intensywności (np. 5% maksymalnej mocy stymulatora) na skórę głowy.
9. Określ próg silnika spoczynkowego (minimalna intensywność, która wytwarza potencjał wywołany silnikiem o wielkości co najmniej 50 μV w próbach 5/10). Jedna z takich metod, metoda częstotliwości względnej, jest następująca.
   1. Określ położenie kory ruchowej badanego na półkuli ipsilateralnej do celów opartych na łączności fMRI. Podczas korzystania z neuronawigacji odbywa się to na ogół w obszarze "Omega" w zakręcie przedśrodkowym. Ustaw cewkę pod kątem prostopadłym do zakrętu, z uchwytem skierowanym w potylicę.
   2. Rozpocznij stymulację z intensywnością, która powinna być podprogowa (np. 35% maksymalnej mocy stymulatora).
   3. Zwiększaj intensywność stymulacji w krokach co 5% maksymalnej mocy stymulacyjnej, aż TMS konsekwentnie wywoła motoryczne potencjały wywołane (MEP) o amplitudach > 50 μV w każdej próbie.
   4. Następnie zmniejszaj intensywność stymulacji w krokach co 1% maksymalnej mocy stymulatora, aż zostanie zarejestrowanych mniej niż 5 pozytywnych odpowiedzi na 10.
      UWAGA: Ta intensywność stymulacji plus 1 jest definiowana jako próg motoryczny. Alternatywnie, użyj adaptacyjnych technik progowych, aby zidentyfikować próg motoryczny z mniejszą liczbą bodźców.
10. W celu stymulacji obszarów docelowych ustaw intensywność TMS na żądaną wartość (np. 120% spoczynkowy próg motoryczny).
    UWAGA: Jednak w przypadkach, gdy występują znaczne regionalne różnice w odległości skóra głowy od kory mózgowej (np. u pacjentów z zanikiem płata czołowego), taka technika może skutkować stymulacją podprogową. Alternatywnie, dzięki odpowiednim systemom neuronawigacji zdolnym do dokonywania szacunków online indukowanego pola elektrycznego, intensywność stymulacji można również ustawić na określoną amplitudę obliczonego indukowanego pola elektrycznego (w V/m) na powierzchni kory mózgowej.
11. Zastosuj pojedyncze impulsy TMS do każdego z obszarów docelowych za pomocą oprogramowania do neuronawigacji, ze zmiennymi odstępami między impulsami, aby zminimalizować plastyczność kory mózgowej i efekty oczekiwania pacjenta (np. co 4 - 6 sekund, w odstępie co najmniej 3 sekund, aby uniknąć skumulowanych efektów). Aby zmaksymalizować spójność, ustaw cewkę pod kątem prostopadłym do długiej osi leżącego poniżej zakrętu, z uchwytem skierowanym ku tyłowi.

Materiały