Ekstrakcja wizualnych potencjałów wywołanych z danych EEG zarejestrowanych podczas przezczaszkowej stymulacji magnetycznej pod kontrolą fMRI

Ogólnym celem tej procedury jest wyodrębnienie wiarygodnych potencjałów wywołanych (ERP) z zarejestrowanych danych EEG podczas przezczaszkowej stymulacji magnetycznej sterowanej przez fMRI. Osiąga się to poprzez wykonanie w pierwszej kolejności wysokorozdzielczego skanu funkcjonalnego rezonansu magnetycznego w celu zdefiniowania obszarów kory mózgowej.

W celu stymulacji kolejnym krokiem jest zaprojektowanie eksperymentu EEG, który umożliwi wyodrębnienie szablonu artefaktu TMS, który zostanie następnie odjęty od zarejestrowanych danych EEG w celu uzyskania czystych ERP. Następnie, przy użyciu systemu nawigacji stereotaktycznej, starannie przygotowywana jest konfiguracja eksperymentu TMS-EEG. Aby zlokalizować zdefiniowany przez fMRI cel na głowie uczestnika, ostatnim krokiem jest jednoczesna rejestracja danych EEG podczas aplikacji TMS; ostatecznie, w celu uzyskania wiarygodnych ERP, stosuje się odjęcie szablonu artefaktu TMS.

Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak jednoczesne G-F-M-R-I, jest to, że pozwala ona na wyciągnięcie wniosków na temat obszaru mózgu zdefiniowanego za pomocą FMRI oraz sygnału elektrofizjologicznego mierzonego za pomocą EEG. Głównym wyzwaniem w jednoczesnej kombinacji E-E-G-T-M-S jest usunięcie artefaktów generowanych przez TMS. Osiąga się to poprzez najpierw wycięcie danych EEG zebranych podczas impulsu magnetycznego, a następnie skorygowanie wszelkich pozostałych artefaktów związanych z TMS. Procedurę tę zaprezentuje Ziv Perman, który został przeszkolony w tym zakresie przez Boaza Ade.

Przeprowadź badanie fMRI z wykorzystaniem sekwencji obrazowania echo-planarnego o wysokiej rozdzielczości, aby wyznaczyć pożądane obszary aktywacji, które będą celem dla przezczaszkowej stymulacji magnetycznej, znanej jako TMS. Następnie wykonaj strukturalny skan T1-zależny w celu uzyskania danych neuroanatomicznych. Upewnij się, że cała twarz badanego znajduje się w polu widzenia.

Zewnętrzne punkty orientacyjne, takie jak czubek nosa, zostaną wykorzystane w późniejszym etapie do koregistracji głowy badanego z wykonanym skanem. Po zakończeniu skanowania należy użyć narzędzia Mars bar dla SPM, aby zdefiniować obszary zainteresowania w mózgu na podstawie kontrastów pomiędzy warunkami eksperymentalnymi.

Na przykład zdefiniuj obszar twarzy potylicznej (occipital face area) poprzez odjęcie aktywacji na obiekty od aktywacji na twarze, a następnie wyklucz wszelkie woksele selektywne dla ciała, aby zdefiniować pozaprasłowkowy obszar ciała (extra striate body area). Odejmij aktywacje na obiekty od aktywacji na ciała i wyklucz wszelkie woksele selektywne dla twarzy. Zaprojektuj paradygmat eksperymentalny, w którym prezentowane są wszystkie warunki bodźców.

W każdej warunkowej próbie czasowej należy przeprowadzić losowo co najmniej 50 powtórzeń. Interwały międzybodźcowe powinny być zmienne (jittered). Należy zastosować warunek z pustym ekranem, w którym podawany jest impuls TMS, ale nie pojawia się żaden bodziec wzrokowy.

Jest to istotne dla wygenerowania szablonu artefaktu TMS. Następnie należy ustawić latencję, po której zostanie wyzwolona stymulacja TMS od rozpoczęcia próby. W tym przykładzie podwójny impuls TMS zostanie podany w 60 i 100 milisekundach.

Po wystąpieniu bodźca wprowadź obrazy strukturalne T1 do oprogramowania systemu neuronavigacyjnego, a następnie nałóż kontrasty funkcjonalnego MRI na obrazy strukturalne. Zaznacz pożądane obszary docelowe mózgu za pomocą oprogramowania do neuronavigacji. Zlokalizuj również markery zewnętrzne, które posłużą do korejestracji położenia głowy, takie jak czubek nosa, nasion oraz tragus każdego ucha.

Po przybyciu badanego nałóż czepek EEG na jego głowę i podłącz elektrody. Użyj minimalnej ilości żelu niezbędnej do utrzymania impedancji poniżej 5 kΩ. Upewnij się, że przewody elektrod nie krzyżują się, nie tworzą pętli i są skierowane w stronę przeciwną do miejsca rozmieszczenia cewek.

Ponadto, podczas pomiaru sygnału EEG, należy umieścić elektrody referencyjne i uziemiające jak najdalej od cewki. Aby uzyskać lepszą reprezentację artefaktu TMS, należy zastosować wysoką częstotliwość próbkowania wynoszącą co najmniej 1 kHz. Następnie zamontuj detektor podczerwieni na głowie badanego i przeprowadź koregistrację lokalizacji głowy z systemem nawigacyjnym.

Używając wcześniej zdefiniowanych markerów, wybierz cel dla TMS w oprogramowaniu nawigacyjnym, trzymając wskaźnik neuro nawigacji prostopadle do powierzchni głowy. Przejdź do lokalizacji celu i zaznacz ją na czapce elektrodowej. Ustaw badanego wygodnie przed ekranem, z podbródką opartą na podparciu.

Podparcie brody pomoże badanemu uniknąć wszelkich ruchów, co jest kluczowe dla pomiaru czystego i wiarygodnego artefaktu TMS. Nakieruj środek cewki na docelowy obszar mózgu i utwierdź ją w miejscu. Użyj uchwytu, aby ustabilizować cewkę, tak aby nie przemieściła się podczas sesji.

Ustaw TMS na pożądaną intensywność i podaj impuls testowy, aby uzyskać akceptację badanego przed rozpoczęciem sesji. Stosuj TMS w każdym z docelowych obszarów kory w osobnym bloku. Dodatkowo przeprowadź blok bez TMS, w którym wszystkie bodźce, w tym warunek pustego ekranu, są prezentowane w stanie braku stymulacji TMS.

Należy użyć cewki pozorowanej (sham coil) lub przyłożyć cewkę do głowy i ustawić ją prostopadle. Identyfikację celów nawigowanych należy powtórzyć pomiędzy każdym blokiem. Jeśli nie korzystasz z systemu utrzymania próbki, konieczne jest usunięcie artefaktów tętna.

Wykonuje się to poprzez wycięcie okna czasowego wokół impulsu lub impulsów w przypadku symulacji powtarzalnych. W większości przypadków wystarczające będzie okno o długości kilku milisekund. W przedstawionym tutaj przykładzie podano dwa następujące po sobie impulsy, które usunięto razem jako jeden fragment.

Istnieją dwa sposoby połączenia powstałych dwóch końców. Po usunięciu impulsu można je połączyć bezpośrednio lub interpolować linię między nimi. Krótki artefakt impulsowy jest czasem poprzedzony długim artefaktem szczątkowym, który może trwać przez kilkaset milisekund.

Zastosuj technikę odejmowania, aby usunąć ten długotrwały artefakt bez utraty danych. Dla każdego bloku eksperymentalnego oblicz uśredniony szablon ERP dla prób z pustym ekranem, synchronizując je czasowo z początkiem próby. Innymi słowy, obliczasz ERP przy braku bodźca eksperymentalnego, wyznaczając w ten sposób szablon samego szumu TMS w obrębie każdego bloku.

Odejmij ten szablon od każdej próby dla wszystkich pozostałych warunków stymulacji. Czysty ERP uzyskuje się poprzez odjęcie szablonu TMS od surowego ERP; powtórz odejmowanie dla każdego bloku z osobna. Rejestrację EEG przeprowadzono w czasie, gdy badanym prezentowano bodźce w postaci twarzy lub ciała.

Podczas oglądania bodźców zastosowano podwójny impuls TMS w obszarze twarzy potylicznej (OFA) lub dodatkowym obszarze prążkowanym ciała (EBA) w 60 i 100 milisekundach po pojawieniu się bodźca. Odejmując zapis wykonany podczas samego TMS od zapisów prezentacji bodźca z TMS, można uzyskać ERP. Zawiera on komponentę N1, wyraźny potencjał wywołany wizualnie, który jest większy podczas oglądania twarzy i ciał w porównaniu z innymi bodźcami.

Podczas oglądania twarzy, TMS obszaru OFA zwiększył amplitudę komponentu N1 w porównaniu z obszarem EBA oraz warunkami bez TMS. Podczas oglądania sylwetek, TMS obszaru EBA zwiększył amplitudę komponentu N1 w porównaniu z warunkami bez TMS lub TMS obszaru OFA.

Wyniki te wskazują na rozdzielenie sieci neuronowych leżących u podłoża selektywnych dla twarzy i selektywnych dla ciała potencjałów wywołanych (ERP). Szczególną zaletą techniki usuwania artefaktów zaprezentowanej w tym filmie jest to, że pozwala ona na wyeliminowanie wszelkich artefaktów związanych ze stosowaniem TMS, niezależnie od tego, czy mają one pochodzenie mechaniczne, mięśniowe czy korowe, nawet w elektrodach znajdujących się w pobliżu cewki TMS, dzięki czemu żadna elektroda nie musi być wykluczona z analizy. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze rozumieć, jak projektować, przeprowadzać i analizować eksperyment z jednoczesnym zastosowaniem GTMS, co pozwoli Ci uzyskać wiarygodne potencjały wywołane.