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 sesje trwające dwa dni (niekoniecznie następujące po sobie). Pierwszy dzień obejmuje fMRI localizer składający się z anatomicznego i funkcjonalnego skanowania MR, aby zdefiniować dla każdego uczestnika obszary docelowe dla TMS. Drugi dzień składa się z sesji fMRI przed i po TMS, podczas których TMS jest stosowany wewnątrz skanera przy użyciu specjalnej cewki TMS kompatybilnej z MR (Magstim Ltd., Wales, UK) oraz bezramowego systemu stereotaktycznego (Brainsight). Ten ostatni służy do pozycjonowania cewki TMS w czasie rzeczywistym na obszarach korowych w odniesieniu do anatomicznych i funkcjonalnych danych każdego uczestnika.

1. Sesja lokalizacyjna

• Rozpocznij od pozyskania wysokorozdzielczego obrazu anatomicznego badanego uczestnika.
• Następnie wykonaj obrazy funkcjonalne, wykorzystując impuls EPI z echem gradientowym oraz paradygmat rzadkiego próbkowania, aby zminimalizować efekt BOLD lub maskowanie słuchowe wynikające z hałasu skanera MRI ^14,15. W naszym przypadku fMRI jest przeprowadzane podczas zadania z melodią, w którym uczestnicy muszą określić, czy dwie kolejne 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. W każdym przebiegu, pomiędzy próbami zadania, losowo wstawiano również okresy ciszy. Łącznie zaprezentowano 72 próby w randomizowanej kolejności: 24 próby dyskryminacji melodii, 24 próby kontrolne słuchowe oraz 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 w głąb, i nie można oczekiwać dotarcia do obszarów głębszych niż 3 cm^6,17. Kluczowym krokiem jest zastosowanie podobnych punktów orientacyjnych dla każdego uczestnika, co może być trudne ze względu na różnice anatomiczne i funkcjonalne między badanymi. W tym przypadku celem jest zakręt Heschla u każdego uczestnika, zlokalizowany przy użyciu zarówno punktów 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 położenie wierzchołka (vertex), który będzie służył jako miejsce kontrolne w celu wyeliminowania niespecyficznych efektów TMS, takich jak artefakty akustyczne i somatosensoryczne. Wierzchołek definiuje się anatomicznie jako punkt w połowie odległości między inion a nasadą nosa, równoodległy od prawego i lewego wyrostka wewnątrzusznego. Kolejność miejsc stymulacji (tzn. zakręt Heschla lub wierzchołek) jest zrównoważona między osobnikami.

2. Eksperyment fMRI przed i po TMS

Sesja fMRI przed TMS

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

Bezramowa stereotaksja i TMS w środowisku MRI

Bezramowy system stereotaksji 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; podczas aplikacji TMS drzwi skanera pozostają otwarte. Narzędzia i trackery są kompatybilne z MR, podobnie jak statyw (własnej produkcji) podtrzymujący kamerę podczerwieni, w związku z czym są one używane wewnątrz pomieszczenia skanera. Kamera podczerwieni nie jest kompatybilna z MR, dlatego jest ona ustawiona w pomieszczeniu skanera, w pobliżu jego drzwi, w odległości około dwóch metrów od stołu skanera (patrz: sekcja dotycząca 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 poprzez rurę filtra RF.

• Wczytaj obrazy anatomiczne i funkcjonalne uczestnika oraz cele stymulacji do stereotaktycznego pakietu oprogramowania (np. Brainsight). W tym przypadku celem będzie prawy zakręt Heschla.
• Po wykonaniu fMRI przed TMS, zdejmij górną część cewki głowowej MR z 32-kanałowej cewki głowowej (w przypadku korzystania ze skanera Siemens 3T i konfiguracji z 32-kanałową cewką głowową).
• Następnie przesuń uczestnika w dół stołu skanera.
• Zamocuj opaskę na głowę oraz zestaw trackerów na głowie uczestnika.
• Zamontuj przegubowe ramię do stołu skanera i przymocuj do niego 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 wierzchołka nosa, nasion i tragusu obu uszu) z tymi samymi punktami na danych anatomicznych. W tej procedurze potrzebnych jest dwóch eksperymentatorów: jeden blisko głowy uczestnika, aby pozycjonować wskaźnik, oraz drugi przy wejściu do pomieszczenia skanera, aby przeprowadzić rejestrację na komputerze.
• Ustaw kompatybilną z MR cewkę TMS stycznie do skóry głowy, tak aby trackery cewki były skierowane w stronę kamery podczerwieni. Cewka jest zorientowana tak, aby uchwyt był skierowany do tyłu i równolegle do linii środkowej ². Utrwal pozycję cewki za pomocą śrub w przegubowym ramieniu.
• W pomieszczeniu sąsiadującym ze skanerem MRI włącz system TMS i rozpocznij stymulację. TMS jest stosowany zgodnie z określonym protokołem, tj. ciągłą stymulacją wiązkową theta (cTBS), składającą się z 3 impulsów przy 50Hz, powtarzanych przy 5Hz przez 40s. Stosujemy stałą intensywność stymulacji (41%) zdefiniowaną przez wyjście stymulatora ^18,19. Wybrano ten protokół, ponieważ wykazano, że moduluje on plastyczność korową przez czas do 30 min po zakończeniu stymulacji w populacjach zdrowych ²⁰ (patrz sekcja dyskusji w celu zapoznania się z procedurą bezpieczeństwa).

Sesja fMRI po TMS

• Po zakończeniu stymulacji ważne jest, aby jak najszybciej umieścić badanego ponownie w skanerze. Usuń cewkę TMS z pomieszczenia skanera oraz usuń ramię wielostawowe. Wsuń głowę uczestnika z powrotem do cewki głowowej MR. Upewnij się, że skaner jest przygotowany i gotowy do pracy. Zalecamy, aby platforma pod ciało pozostawała podniesiona przez całą sesję TMS oraz aby zminimalizować liczbę i czas trwania skanów lokalizacyjnych.
• Ponieważ efekty rTMS są przejściowe, ostatnia sesja skanowania powinna rozpocząć się od skanu funkcjonalnego. Ponownie przeprowadzono fMRI podczas 12-minutowego bloku zadania z melodią.
• Po zakończeniu ostatniego skanu należy wykonać skan anatomiczny.

3. Reprezentatywne wyniki

Analizy danych fMRI są przeprowadzane oddzielnie dla sesji fMRI przed i po zabiegu TMS. Dla każdej sesji fMRI (t.j. przed i po TMS), kontrast między melodiami a kontrolnym zadaniem słuchowym wykazuje aktywność związaną z zadaniem w lewej i prawej zakręcie Heschla, górnych zakrętach skroniowych, dolnych zakrętach czołowych oraz zakrętach przedśrodkowych (Ryc. 1 A, B). Aby ocenić różnice między sesjami fMRI przed i po TMS, wykonujemy analizę efektów losowych przy użyciu sparowanego testu t Studenta. Istotność określono za pomocą klastrów zidentyfikowanych przy progu z > 2 i skorygowanym progu klastra p = 0,05. Ryc. 1 C przedstawia kontrast po minus przed cTBS dla jednego uczestnika. Dane sugerują, że cTBS celowana w prawą zakręt Heschla (czarny okrąg) indukuje wzrost odpowiedzi fMRI w przeciwległej (lewej) korze słuchowej, w tym w lewej zakręcie Heschla. Zmiany w odpowiedzi fMRI stwierdzono również w lewym zakręcie posutrodkowym, lewej wyspie oraz obustronnie w bocznej korze potylicznej. Jednak pod cewką nie zaobserwowano żadnej istotnej zmiany w odpowiedzi fMRI. Dodatkowo powtórzono podobny połączony protokół TMS-fMRI w celu stymulacji wierzchołka głowy (miejsce kontrolne). Porównanie sesji przed i po fMRI przy zastosowaniu cTBS nad wierzchołkiem nie wykazało żadnego istotnego efektu (dane nie zostały przedstawione).

Rysunek 1. Analiza indywidualnych danych fMRI przed TMS (A), danych fMRI po TMS (B) oraz różnicy danych fMRI po minus przed TMS (C). A. Wyniki kontrastu: dyskryminacja melodii minus próby kontrolne słuchowe dla pojedynczego uczestnika w sesji fMRI przed TMS (A) i w sesji fMRI po TMS (B). Od lewej do prawej: przekroje osiowy, czołowy i strzałkowy. Zarówno w (A), jak i w (B), cewka TMS jest skierowana na prawą zakręcie Heschla (czarne koło) znajdującą się w x=54, y=-13, z=1 (standardowa przestrzeń MNI152). Dla obu sesji fMRI, przed i po TMS, współrzędne są wyświetlane w x=-54, y=-13, z=1 (standardowa przestrzeń MNI152), aby pokazać zmiany w lewej półkuli w miejscu stymulacji (i.e. prawym zakręcie Heschla). C. Wyniki kontrastu sesji fMRI po minus przed TMS z wykorzystaniem 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