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

Ogólnym celem niniejszej procedury jest zmiana pobudliwości kory za pomocą powtarzalnej przezczaszkowej stymulacji magnetycznej, a następnie zbadanie tych efektów w zakresie aktywacji sieci stanu spoczynkowego mózgu przy użyciu funkcjonalnego MRI. Osiąga się to najpierw poprzez wykonanie anatomicznego skanu bazowego badanego obiektu, który może posłużyć do wyznaczenia miejsca stymulacji kory. Drugim krokiem procedury jest przeprowadzenie kilku serii fMRI w stanie spoczynku przed rozpoczęciem stymulacji.

Trzecim krokiem procedury jest zastosowanie TMS w wybranym celu korowym, przy użyciu parametrów stymulacji dobranych pod kątem ich efektów modulujących. Ostatnim krokiem procedury jest ponowne przeprowadzenie kilku serii obrazowania funkcjonalnego. W rezultacie można uzyskać wyniki wykazujące zmiany w aktywacji sieci stanu spoczynkowego wywołane przez TMS, na podstawie analizy obrazowania zależnego od poziomu utlenowania krwi.

Główną zaletą tej techniki w porównaniu z samym fMRI jest to, że dzięki TMS możemy modulować jeden obszar, aby obserwować dynamikę sieci. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie neuronauki poznawczej. Pozwala ona nie tylko lepiej wyjaśnić interakcje w obrębie danej sieci spoczynkowej, takiej jak sieć stanu spoczynkowego (default mode network), ale także pomaga nam lepiej zrozumieć interakcje między siecią stanu spoczynkowego a innymi sieciami stanu spoczynkowego.

Na kilka dni przed właściwymi eksperymentami z użyciem TMS oraz obrazowaniem funkcjonalnym, poproś badanego o przyjście do skanera w celu wykonania bazowego skanu anatomicznego, który zostanie wykorzystany do neuronawigacji podczas procedury TMS. Rozpocznij od poproszenia badanego o wypełnienie.

Wszelka niezbędna dokumentacja, w tym formularz zgody na udział w badaniu oraz wszelkie inne dokumenty dotyczące badania. Dołącz standardowy formularz przesiewowy do badania MRI i sprawdź go, aby upewnić się, że nie występują przeciwwskazania do MRI, takie jak stenty lub klipsy naczyniowe. Wykorzystaj również tę okazję do wstępnej oceny kwalifikowalności badanego do TMS oraz wyjaśnienia szczegółów eksperymentu.

Następnie należy przeprowadzić badanego do skanera i ułożyć go na stole urządzenia. Należy wykonać obrazowanie T1-zależne 3D SPGR MP RAGE lub analogiczne, z polem widzenia obejmującym całą głowę, w tym uszy, nos i skórę głowy. Zalecana grubość warstwy wynosi około 1 mm.

Wgraj ten skan do bezramowego oprogramowania stereotaktycznego, które będzie wykorzystywane do neuronawigacji podczas procedury TMS, a następnie użyj tego oprogramowania do zlokalizowania i wyznaczenia współrzędnych stymulacji. W tym eksperymencie będziemy celować w lewy dolny zakręt ciemieniowy, widoczny tutaj w dniu przeprowadzenia badania. Należy pamiętać, że efekty neuromodulacyjne RTMS są przejściowe i że precyzyjne odmierzanie czasu jest kluczowe podczas przeprowadzania połączonych eksperymentów TMS i fMRI.

W związku z tym należy podjąć następujące kroki, aby zapewnić sprawne przejście między etapami eksperymentu. Po pierwsze, należy umieścić przenośne urządzenie TMS w pomieszczeniu sąsiadującym z komorą skanowania lub tak blisko niej, jak to możliwe. W tym doświadczeniu system został zainstalowany w pokoju obserwacyjnym znajdującym się obok skanera.

Należy jednak dopilnować, aby cały sprzęt niekompatybilny z MRI zawsze znajdował się poza linią pięciu metrów. Po drugie, należy upewnić się, że wcześniej pozyskanym obrazom MRI anatomicznym poddanych wstępnemu celowaniu załadowano do pakietu oprogramowania stereotaktycznego i są one gotowe do użycia podczas procedury TMS. Na koniec należy przymocować urządzenie stereotaktyczne do cewki stymulującej i skalibrować cewkę za pomocą wybranego pakietu oprogramowania.

Tutaj zestaw czujników podczerwieni jest wyrównany w celu rejestracji centralnego położenia cewki. Po zakończeniu konfiguracji eksperymentalnej przygotuj badanego do skanowania MRI, ponownie sprawdź bezpieczeństwo badania MRI, poproś badanego o usunięcie wszystkich metalowych przedmiotów i upewnij się, że skorzystał on z toalety. Wprowadź badanego do pomieszczenia ze skanerem i wygodnie ułóż go na stole skanera, zapewniając w razie potrzeby podparcie pleców i szyi, aby zagwarantować komfort.

Podczas skanowania podłącz cewkę głowy i zastosuj piankowe podkładki wokół głowy badanego, aby zredukować artefakty ruchowe. Wykonaj skany LOCALIZER oraz wstępny skan anatomiczny. Następnie przeprowadź trzy sześciominutowe serie eksperymentalne funkcjonalne.

Sugerujemy następujące parametry: obrazowanie echo-planar z TR wynoszącym 2,5 s, rozmiarem woksela 3 mm oraz polem widzenia obejmującym cały mózg. Podczas każdego przebiegu w centralnym polu widzenia badanego wyświetlany jest punkt fiksacyjny, a badany otrzymuje instrukcję, aby się zrelaksować i pasywnie w niego wpatrywać. Tak proste zadanie fiksacyjne jest odpowiednie do badania aktywacji sieci stanu spoczynkowego.

Po zakończeniu początkowej sesji skanowania funkcjonalnego pomóż badanemu wyjść ze skanera i poproś go lub ją o wygodne usiądnięcie na krześle znajdującym się w pobliżu zestawu TMS. Dostarcz zatyczki do uszu w celu ochrony słuchu podczas stymulacji.

Następnie zapoznaj badanego z urządzeniem TMS oraz cewką stymulacyjną. Wytworz kilka impulsów w pobliżu głowy badanego, aby oswoił się on z głośnym dźwiękiem klikania, a następnie wytwórz impuls nad dłonią, aby badany mógł poczuć towarzyszące temu uczucie uderzania. Teraz można przystąpić do kalibracji głowy badanego za pomocą stereotaktycznego sprzętu pozycjonującego.

W pierwszej kolejności umieść marker podczerwieni na głowie badanego w tym miejscu. Czujniki podczerwieni służą do zarejestrowania kilku punktów anatomicznych, w tym obu uszu, nosa oraz nasionu. Punkty te są zapisywane przez oprogramowanie stereotaktyczne, aby wcześniej wykonany skan anatomiczny został zarejestrowany wspólnie z głową badanego.

Następnie wyznacz próg motoryczny spoczynkowy badanego. W tym protokole zastosuj pojedyncze impulsy nad korą motorową primary, tak jak pokazano tutaj; przesuwaj cewkę i dostosuj intensywność stymulacji, aż znajdziesz obszar, który wywołuje cztery z ośmiciu skurczów mięśni w przeciwległej dłoni. Na koniec ustaw intensywność i parametry urządzenia TMS na wartości, które będą stosowane podczas stymulacji.

W tym eksperymencie zastosowano stymulację o częstotliwości 20 hertz przy 110% progu motorycznego, z wzorcem stymulacji obejmującym dwusekundowe serie i 28 sekundowe okresy odpoczynku, co według dowodów zwiększa pobudliwość kory. W przyszłych eksperymentach można zastosować stymulację o częstotliwości jeden hertz w celu zbadania efektów hamujących. Możemy teraz rozpocząć część eksperymentu związaną z TMS, dlatego ponownie upewnijmy się, że badany czuje się komfortowo i jest przygotowany do powrotu bezpośrednio do skanera.

Po zakończeniu sesji TMS. Przed rozpoczęciem stymulacji należy przyłożyć cewkę stycznie do skóry głowy, a następnie za pomocą sprzętu do badania ataksji stereo oraz wyświetlacza oprogramowania zlokalizować i wycelować w wcześniej określone miejsce stymulacji kory mózgowej badanego; należy włączyć system chłodzenia urządzenia. Następnie, trzymając cewkę nad celem w korze mózgowej, należy rozpocząć stymulację.

Przeprowadzenie 45 serii stymulacji z wcześniej zdefiniowanymi parametrami, przy czasie dwóch sekund na serię. Przy przerwach wynoszących 28 sekund całkowity czas stymulacji powinien wynieść 23 minuty. Bezpośrednio po TMS należy upewnić się, że badany zostanie jak najszybciej odprowadzony na stół skanera i rozpocząć końcową sesję obrazowania funkcjonalnego, aby zminimalizować przejściowe efekty offline TMS. Należy ograniczyć liczbę i czas trwania skanów lokalizacyjnych do niezbędnego minimum, aby można było zainicjować przebiegi funkcjonalne. Szybko zastosować te same parametry obrazowania co w skanach początkowych, wykonując trzy sześciominutowe przebiegi pasywnej fiksacji z wykorzystaniem tego samego paradygmatu fiksacji.

Po zakończeniu wszystkich badań obrazowania funkcjonalnego należy wykonać końcowe anatomiczne skanowanie o wysokiej rozdzielczości, stosując te same parametry obrazowania, które były użyte w poprzednich sesjach. Na koniec pomóż badanemu opuścić skaner. Pamiętaj o przesłaniu i zarchiwizowaniu wszystkich danych obrazowych oraz podziękuj badanemu za udział.

Po uzyskaniu danych od co najmniej 15 badanych, należy użyć wybranego pakietu do przetwarzania fMRI w celu postprocesingu obrazowania i późniejszej analizy wielopodmiotowej; tutaj przedstawiono reprezentatywne wyniki dla stymulacji z częstotliwością 20 Hz lewego dolnego płata ciemieniowego. Chociaż stymulacja TMS z częstotliwością 20 Hz zwiększa lokalną pobudliwość, dane wskazują, że zmniejsza ona funkcjonalną łączność w obrębie sieci stanu spoczynkowego (default mode network). Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby jak najszybciej przenieść badanego do skanera po stymulacji, tak aby możliwe było obrazowanie przejściowych efektów rTMS.

Możemy również zmienić parametry stymulacji TMS. Na przykład możemy zwiększyć intensywność urządzenia TMS, aby ocenić, czy wpływ na sieć stanu spoczynkowego ma charakter parametryczny. Możemy również spróbować zastosować stymulację w rytmie theta.

Na koniec możemy zaobserwować efekty TMS, stosując po jego wykonaniu różne rodzaje protokołów MRI, takie jak plany blokowe lub plany związane ze zdarzeniami, podczas wykonywania zadania poznawczego.