Mapowanie następstw stymulacji wiązką theta w ludzkiej korze słuchowej z wykorzystaniem obrazowania funkcjonalnego

Podsumowanie

Przetwarzanie słuchowe stanowi podstawę przetwarzania mowy oraz muzyki. Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS) została z sukcesem wykorzystana do badania systemów poznawczych, sensorycznych i motorycznych, lecz rzadko stosowano ją w badaniach słuchu. W niniejszej pracy zbadaliśmy połączenie TMS z funkcjonalnym obrazowaniem rezonansem magnetycznym (fMRI), aby zrozumieć organizację funkcjonalną kory słuchowej.

Streszczenie

Kora słuchowa odpowiada za przetwarzanie dźwięków, co stanowi podstawę procesów związanych z mową lub muzyką¹. Jednak mimo znacznych postępów w ostatnim czasie, właściwości funkcjonalne i lateralizacja ludzkiej kory słuchowej nie są jeszcze w pełni poznane. Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS) jest nieinwazyjną techniką, która pozwala na przejściową lub trwałą modulację pobudliwości kory poprzez aplikację lokalnych impulsów pola magnetycznego i stanowi unikalną metodę badania plastyczności oraz łączności funkcjonalnej. Dopiero niedawno zaczęto ją stosować w celu zrozumienia funkcji kory słuchowej ².

Ważnym problemem w stosowaniu TMS jest trudność w ustaleniu fizjologicznych skutków stymulacji. Choć w wielu badaniach TMS przyjmuje się domyślnie, że obszar celowany przez cewkę jest obszarem poddanym działaniu, nie zawsze musi tak być, szczególnie w przypadku złożonych funkcji poznawczych, które zależą od oddziaływań między wieloma regionami mózgu ³. Jednym z rozwiązań tego problemu jest połączenie TMS z funkcjonalnym obrazowaniem metodą rezonansu magnetycznego (fMRI). Koncepcja ta zakłada, że fMRI dostarczy wskaźnika zmian w aktywności mózgu związanych z TMS. W ten sposób fMRI zapewni niezależną metodę oceny tego, które obszary są pod wpływem TMS i w jaki sposób są one modulowane ⁴. Ponadto fMRI umożliwia ocenę łączności funkcjonalnej, która stanowi miarę sprzężenia czasowego między odległymi regionami. Może to być zatem przydatne nie tylko do pomiaru wypadkowej modulacji aktywności wywołanej przez TMS w określonych lokalizacjach, ale także do oceny stopnia, w jakim właściwości sieci są wpływane przez TMS poprzez wszelkie zaobserwowane zmiany w łączności funkcjonalnej.

W zależności od kolejności czasowej stosowanych metod istnieją różne podejścia do łączenia TMS z obrazowaniem funkcjonalnym. fMRI można zastosować przed, w trakcie, po, lub zarówno przed, jak i po TMS. W ostatnim czasie w niektórych badaniach przeplatano TMS i fMRI w celu zapewnienia mapowania w czasie rzeczywistym zmian funkcjonalnych indukowanych przez TMS ^5-7. Jednakże ta kombinacja online wiąże się z licznymi problemami technicznymi, w tym z artefaktami statycznymi wynikającymi z obecności cewki TMS w pomieszczeniu ze skanerem lub wpływem impulsów TMS na proces tworzenia obrazu MR. Co ważniejsze, głośny szum akustyczny indukowany przez TMS (zwiększony w porównaniu ze standardowym zastosowaniem z powodu rezonansu groma skanera) oraz zwiększone wibracje cewki TMS (wywołane silnymi siłami mechanicznymi wynikającymi ze statycznego pola magnetycznego skanera MR) stanowią kluczowy problem podczas badania przetwarzania słuchowego.

Jest to jeden z powodów, dla których w niniejszym badaniu fMRI przeprowadzono przed i po TMS. Podobne podejścia stosowano w celu ukierunkowania na korę ruchową ^8,9, korę przedruchową ¹⁰, pierwotną korę somatosensoryczną ^11,12 oraz obszary związane z językiem ¹³, jednak do tej pory żadne połączone badanie TMS-fMRI nie dotyczyło kory słuchowej. Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie szczegółów dotyczących protokołu oraz rozważań niezbędnych do skutecznego połączenia tych dwóch narzędzi neuronaukowych w celu zbadania przetwarzania słuchowego.

Wcześniej wykazaliśmy, że repetywna stymulacja magnetyczna przezczaszkowa (rTMS) o wysokiej i niskiej częstotliwości (odpowiednio 10 Hz i 1 Hz) zastosowana nad korą słuchową modulowała czas reakcji (RT) w zadaniu dyskryminacji melodii ². Wykazaliśmy również, że modulacja RT była skorelowana z łącznością funkcjonalną w sieci słuchowej ocenianą za pomocą fMRI: im wyższa łączność funkcjonalna między lewą a prawą korą słuchową podczas wykonywania zadania, tym silniejszy efekt ułatwiający (t.j. skrócony RT) obserwowany po rTMS. Wyniki te miały jednak charakter głównie korelacyjny, ponieważ badanie fMRI przeprowadzono przed rTMS. W niniejszej pracy fMRI wykonano przed i bezpośrednio po TMS, aby uzyskać bezpośrednie pomiary organizacji funkcjonalnej kory słuchowej, a w szczególności plastycznej reorganizacji słuchowej sieci neuronalnej następującej po interwencji neuronalnej za pomocą TMS.

Połączenie fMRI i TMS zastosowanych nad korą słuchową powinno umożliwić lepsze zrozumienie mechanizmów mózgowych przetwarzania słuchowego, dostarczając informacji fizjologicznych o funkcjonalnych efektach TMS. Wiedza ta mogłaby być użyteczna w wielu zastosowaniach w dziedzinie neuronauki poznawczej, a także w optymalizacji terapeutycznych zastosowań TMS, szczególnie w zaburzeniach związanych ze słuchem.

Protokół

Protokół jest podzielony na dwudniową sesję (niekoniecznie w dniach następujących po sobie). Pierwszy dzień obejmuje badanie lokalizacyjne fMRI, składające się z obrazowania anatomicznego i funkcjonalnego MR, w celu zdefiniowania dla każdego uczestnika obszarów docelowych dla stymulacji TMS. Drugi dzień obejmuje sesje fMRI przed i po TMS, podczas których stymulacja TMS jest przeprowadzana wewnątrz skanera przy użyciu specjalnej cewki TMS kompatybilnej z MR (Magstim Ltd., Walia, Wielka Brytania) oraz bezramowego systemu stereotaktycznego (Brainsight). Ten ostatni służy do pozycjonowania cewki TMS w czasie rzeczywistym nad obszarami korowymi w odniesieniu do danych anatomicznych i funkcjonalnych każdego uczestnika.

1. Sesja lokalizatora

• Rozpocznij od pozyskania obrazu anatomicznego uczestnika w wysokiej rozdzielczości.
• Następnie wykonaj obrazy funkcjonalne przy użyciu impulsu gradient echo EPI oraz paradygmatu rzadkiego próbkowania (sparse sampling), aby zminimalizować efekt BOLD lub maskowanie słuchowe spowodowane hałasem skanera MRI ^14,15. W naszym przypadku badanie fMRI jest przeprowadzane podczas zadania melodycznego, w którym uczestnicy muszą określić, czy dwie następujące po sobie 5-nutowe melodie są takie same czy różne ^2,16. Uwzględniono również słuchowe zadanie kontrolne bez dyskryminacji, w którym badani słyszą dwa wzorce pięciu nut o tej samej długości, wszystkie o tej samej wysokości C5, i otrzymują instrukcję kliknięcia lewego przycisku po drugim bodźcu. Okresy ciszy są również losowo wstawiane pomiędzy próbami zadania w każdej serii. Łącznie prezentowanych jest 72 próby w losowej kolejności: 24 próby dyskryminacji melodii, 24 próby kontroli słuchowej i 24 okresy ciszy, przy całkowitym czasie trwania 12 min 16 sec.
• Zdefiniuj miejsce stymulacji, korzystając z punktów orientacyjnych anatomicznych i/lub funkcjonalnych. Należy mieć świadomość, że TMS jest ograniczony pod względem głębokości miejsca stymulacji ze względu na tłumienie natężenia pola elektrycznego wraz z głębokością i nie można oczekiwać dotarcia do obszarów głębszych niż 3 cm^6,17. Kluczowym krokiem jest stosowanie podobnych punktów orientacyjnych dla każdego uczestnika, co może być trudne ze względu na różnice w anatomii i funkcji między badanymi. W niniejszym przypadku celem jest zakręt Heschla u każdego uczestnika, zlokalizowany przy użyciu punktów orientacyjnych zarówno anatomicznych, jak i funkcjonalnych. Wykorzystujemy maski zakrętu Heschla dostarczone przez atlasy strukturalne Harvard-Oxford (http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html), a cel TMS jest definiowany indywidualnie jako szczyt aktywacji w obrębie zakrętu Heschla ². Dodatkowo definiujemy pozycję wierzchołka (vertex), która posłuży jako miejsce kontrolne w celu wykluczenia niespecyficznych efektów TMS, takich jak artefakty akustyczne i somatosensoryczne. Wierzchołek jest definiowany anatomicznie jako punkt w połowie drogi między inionem a nasadą nosa, w równej odległości od prawego i lewego wcięcia międzytragusowego. Kolejność miejsc stymulacji (i.e. zakręt Heschla lub wierzchołek) jest zrównoważona pomiędzy osobami.

2. Eksperyment fMRI przed i po TMS

Sesja fMRI przed TMS

• Przygotuj uczestnika do bezpośredniego wejścia do skanera. Obejmuje to usunięcie metalowych przedmiotów oraz wypełnienie formularza przesiewowego TMS i MR.
• Rozpocznij akwizycję MR od skanów anatomicznych i funkcjonalnych (identycznych z tymi wykonanymi w sesji lokalizacyjnej, patrz sekcja 1).

Bezramowa stereotaksja i TMS w środowisku MRI

Bezeszkieletowy system stereotaksyczny składa się z kamery podczerwieni (Polaris Spectra), zestawu narzędzi i trackerów (Brainsight) wykorzystywanych w procedurze rejestracji oraz komputera. Komputer znajduje się poza pomieszczeniem skanera, ale jest ustawiony przy jego wejściu, a drzwi do pomieszczenia pozostają otwarte podczas aplikacji TMS. Narzędzia i trackery są kompatybilne z MRI, podobnie jak statyw (własnej konstrukcji) podtrzymujący kamerę podczerwieni, i dlatego są one używane wewnątrz pomieszczenia skanera. Kamera podczerwieni nie jest kompatybilna z MRI, w związku z czym jest ona umieszczona wewnątrz pomieszczenia skanera, w pobliżu drzwi, w odległości około dwóch metrów od stołu skanera (patrz sekcja dyskusji w sprawie procedur bezpieczeństwa). System stymulatora TMS znajduje się w pomieszczeniu sąsiadującym z pomieszczeniem skanera MRI. Używamy kompatybilnej z MRI cewki TMS umieszczonej wewnątrz pomieszczenia skanera i podłączonej do systemu TMS za pomocą 7-m kabla prowadzonego przez rurę filtra RF.

• Wczytaj obrazy anatomiczne i funkcjonalne uczestnika oraz cele stymulacji do oprogramowania stereotaktycznego (np. Brainsight). W tym przypadku celem będzie prawy zakręt Heschla.
• Po akwizycji fMRI przed TMS zdejmij górną część cewki głowowej 32-kanałowej (jeśli używany jest skaner Siemens 3T i konfiguracja 32-kanałowej cewki głowowej).
• Następnie przesuń uczestnika w dół stołu skanera.
• Zamocuj opaskę na głowę i zestaw trackerów na głowie uczestnika.
• Zamontuj przegubowe ramię do stołu skanera i przymocuj do ramienia kompatybilną z MR cewkę TMS.
• Upewnij się, że wszystkie trackery oraz cewka znajdują się w polu widzenia kamery. W tym przypadku kamera jest lekko przesunięta na prawą stronę uczestnika, aby umożliwić łatwiejsze śledzenie przemieszczeń cewki podczas celowania w prawą półkulę.
• Zkalibruj głowę badanego za pomocą narzędzi stereotaktycznych (tj. wskaźnika). Odbywa się to poprzez korejestrację kilku punktów orientacyjnych na głowie uczestnika (np. w naszym przypadku czubka nosa, nasionu i tragusowi obu uszu) z tymi samymi punktami na danych anatomicznych. W tej procedurze potrzebnych jest dwóch eksperymentatorów: jeden blisko głowy uczestnika, aby ustawić wskaźnik na głowie badanego, oraz drugi przy wejściu do pomieszczenia skanera, aby przeprowadzić rejestrację na komputerze.
• Ustaw kompatybilną z MR cewkę TMS stycznie do skóry głowy, a trackery cewki skieruj w stronę kamery podczerwieni. Cewka jest zorientowana tak, aby jej uchwyt był skierowany do tyłu i równolegle do linii środkowej ². Przymocuj pozycję cewki za pomocą śrub na przegubowym ramieniu.
• W pomieszczeniu sąsiadującym ze skanerem MRI włącz system TMS i rozpocznij stymulację. TMS jest stosowany zgodnie z ustalonym protokołem, tj. ciągłą stymulacją theta burst (cTBS), składającą się z 3 impulsów przy 50Hz, powtarzanych przy 5Hz przez 40s. Stosujemy stałą intensywność stymulacji (41%) zdefiniowaną przez wyjście stymulatora ^18,19. Wybraliśmy ten protokół, ponieważ wykazano, że moduluje on plastyczność kory przez czas do 30 min po zakończeniu stymulacji u zdrowych populacji ²⁰ (patrz sekcja dyskusji w sprawie procedur bezpieczeństwa).

Sesja fMRI po TMS

• Po zakończeniu stymulacji ważne jest, aby jak najszybciej umieścić badanego z powrotem w skanerze. Należy usunąć cewkę TMS z pomieszczenia skanera oraz zdemontować ramie wielostawowe. Wsuń głowę uczestnika z powrotem do cewki głowowej MR. Upewnij się, że skaner jest przygotowany i gotowy do pracy. Zalecamy, aby platforma ciała pozostała podniesiona przez całą sesję TMS, a liczbę i czas trwania skanów lokalizacyjnych zredukować do minimum.
• Ponieważ efekty rTMS są przejściowe, ostatnia sesja skanowania powinna rozpocząć się od skanu funkcjonalnego. Ponownie przeprowadziliśmy fMRI podczas 12-minutowego wykonania zadania z melodią.
• Po zakończeniu ostatniego skanu należy przeprowadzić skan anatomiczny.

3. Reprezentatywne wyniki

Analizy danych fMRI przeprowadzono oddzielnie dla sesji fMRI przed i po zastosowaniu TMS. Dla każdej sesji fMRI (t.j. przed i po TMS) kontrast między melodiami a słuchowym zadaniem kontrolnym wykazuje aktywność związaną z zadaniem w lewej i prawej zakręcie Heschla, górnych zakrętach skroniowych, dolnych zakrętach czołowych i zakrętach przedcentralnych (Rysunek 1 A, B). Aby ocenić różnice między sesjami fMRI przed i po TMS, przeprowadzono analizę efektów losowych z użyciem sparowanego testu t Studentowi. Istotność określono na podstawie klastrów zidentyfikowanych przy progu z > 2 oraz skorygowanym progu klastra p = 0,05. Rysunek 1 C przedstawia kontrast po minus przed cTBS dla pojedynczego uczestnika. Dane sugerują, że cTBS celowana w prawy zakręt Heschla (czarne koło) wywołuje wzrost odpowiedzi fMRI w przeciwleżnej (lewej) korze słuchowej, w tym w lewym zakręcie Heschla. Zmiany w odpowiedzi fMRI stwierdzono również w lewym zakręcie postcentralnym, lewej wyspie oraz obustronnie w bocznej korze potylicznej. Jednak pod cewką nie zaobserwowano istotnej zmiany odpowiedzi fMRI. Dodatkowo, analogiczny połączony protokół TMS-fMRI powtórzono w celu stymulacji wierzchołka głowy (miejsce kontrolne). Porównanie sesji fMRI przed i po zastosowaniu cTBS nad wierzchołkiem nie wykazało żadnego istotnego efektu (dane nie zostały przedstawione).

Rycina 1. Analiza indywidualnych danych fMRI przed TMS (A), po TMS (B) oraz różnicy danych fMRI po minus przed TMS (C). A. Wyniki kontrastu dla prób dyskryminacji melodii minus próby kontrolne słuchowe dla pojedynczego uczestnika w sesji fMRI przed TMS (A) oraz w sesji fMRI po TMS (B). Od lewej do prawej: widoki osiowy, czołowy i strzałkowy. Zarówno w (A), jak i w (B), cewka TMS jest skierowana na prawą zakręt Heschla (czarne koło) znajdujący się w współrzędnych x=54, y=-13, z=1 (standardowa przestrzeń MNI152). Dla obu sesji fMRI, przed i po TMS, współrzędne wyświetlono dla x=-54, y=-13, z=1 (standardowa przestrzeń MNI152), aby pokazać zmiany w lewej półkuli w miejscu stymulacji (tj. prawym zakręcie Heschla). C. Wyniki kontrastu sesji fMRI po minus przed TMS z zastosowaniem sparowanego testu t studenta.

Dyskusja

Opisujemy protokół łączący technikę TMS w trybie offline z fMRI w celu zbadania organizacji funkcjonalnej kory słuchowej. W kolejnych sekcjach omówimy czynniki metodologiczne, które należy wziąć pod uwagę przy stosowaniu tego podejścia.

Akwizycja i czas trwania sesji fMRI po TMS

Kolejność akwizycji skanów i przeciwbilansowanie sesji fMRI przed i po TMS

Kluczowe jest wykonanie anatomicznego skanowania MR przed i po TMS, aby uzyskać p...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna	Stymulator Magstim super Rapid2, moduł Rapid-2 Plus One	Magstim Ltd., Wales, UK
Cewka do stymulacji magnetycznej	Cewka w kształcie ósemki 70 mm kompatybilna z MRI	Magstim Ltd., Wales, UK
Obrazowanie rezonansem magnetycznym	Skaner 3-T Siemens Trio, 32-kanałowa cewka głowowa	Siemens, Inc., Germany
Stereotaksja bezramkowa	Brainsight	Rogue Research Inc., Montreal, Canada
Optyczny system pomiarowy	Polaris Spectra	Northern Digital Inc, Ontario, Canada
Wielostawowe ramię do uchwytu cewki	Standardowe	Hybex Innovations Inc., Anjou, Canada
Słuchawki dokanałowe kompatybilne z MRI	Sensimetrics, model S14	Sensimetrics Corporation, MA, USA