Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna do badania przyczynowych relacji mózgowo-behawioralnych i ich przebiegu w czasie

Ogólnym celem następującej procedury jest zbadanie związków przyczynowo-skutkowych między mózgiem a zachowaniem. Pierwszym krokiem jest przygotowanie eksperymentu TMS poprzez wybór parametrów stymulacji, zadań oraz metody lokalizacji. Drugim krokiem jest lokalizacja miejsca stymulacji, dostosowana do każdej osoby w celu zapewnienia ukierunkowania na właściwy obszar mózgu.

Kolejnym krokiem jest przeprowadzenie głównego eksperymentu TMS z wykorzystaniem podejścia wirtualnej zmiany ogniskowej (virtual lesion) lub podejścia chronometrycznego, aby sprawdzić, czy stymulacja wpływa na wyniki wykonywanego zadania. Wyniki wykazujące wpływ TMS na miary behawioralne, zazwyczaj w postaci wydłużonego czasu reakcji w porównaniu z wynikami w warunkach kontrolnych, wskazują, że określony obszar mózgu jest niezbędnym elementem prawidłowego wykonywania zadania. Główną zaletą TMS nad metodami neuroobrazowania jest możliwość zakłócenia przetwarzania informacji neuronalnych i pomiaru jego wpływu na zachowanie.

Innymi słowy, oferuje ona coś więcej niż zwykłą korelację, umożliwiając wyciąganie wniosków przyczynowo-skutkowych między mózgiem a zachowaniem. Ponadto TMS wykazuje przewagę nad bardziej tradycyjnymi metodami przyczynowymi, takimi jak badania nad pacjentami, ponieważ stanowi nieinwazyjną alternatywę pozwalającą na tworzenie wirtualnych uszkodzeń, które są tymczasowe, odwracalne i bardziej precyzyjne pod względem przestrzennym. Osoby rozpoczynające pracę z tą metodologią mogą napotkać trudności ze względu na dużą liczbę parametrów wolnych, które należy dobrać, aby eksperyment zakończył się sukcesem. Obejmują one kwestie takie jak czas trwania i intensywność stymulacji, sposób lokalizacji miejsc stymulacji, a nawet pozornie mniej istotne elementy, takie jak orientacja samej cewki.

W rezultacie zazwyczaj niezbędne jest przeprowadzenie obszernych testów pilotażowych w celu ustalenia, które parametry sprawdzą się w konkretnym eksperymencie. Przed sesją TMS należy wykonać obrazowanie MRI uczestnika w wysokiej rozdzielczości w obrazowaniu T1-zależnym. Należy uwzględnić punkty referencyjne dla bezramowego systemu stereotaktycznego, czubek nosa, nasadę nosa oraz wcięcie nad tragusem każdego ucha.

Wgraj skan do bezramowego stereotaktycznego systemu nawigacji i zaznacz punkty orientacyjne oraz miejsca stymulacji na obrazie uczestnika. Na początku sesji TMS zachowaj odległość co najmniej 10 milimetrów między miejscami stymulacji. Najpierw wyjaśnij uczestnikowi procedury eksperymentalne, aby mógł on wyrazić świadomą zgodę.

Po drugie, poproś uczestnika o wypełnienie formularza przesiewowego dotyczącego bezpieczeństwa TMS, zatwierdzonego przez Komisję Bioetyczną, aby upewnić się, że może on przejść procedurę TMS. Do trwałych przeciwwskazań do stosowania TMS należą: rodzinny lub osobisty wywiad w kierunku epilepsji, kliniczna diagnoza zaburzeń psychiatrycznych lub neurologicznych, a także wszelkie wszczepione urządzenia medyczne, takie jak implanty ślimakowe lub rozruszniki serca. Nieprzestrzeganie wytycznych dotyczących bezpieczeństwa TMS naraża uczestnika na ryzyko wystąpienia napadu drgawek lub uszkodzenia wszczepionych urządzeń medycznych. Po zakończeniu badania przesiewowego umieść tracker obiektu na głowie uczestnika.

Następnie, korzystając z trackera jako punktu odniesienia, dotknij każdego punktu fiducyjnego na głowie uczestnika wskaźnikiem dołączonym do stereotaktycznego systemu naprowadzającego. Zapisz odpowiadające im współrzędne, aby skalibrować położenie głowy uczestnika względem obrazu MRI. Należy sprawdzić jakość rejestracji i w razie potrzeby powtórzyć cały proces.

Jest to również odpowiedni moment, aby poprosić uczestnika o założenie zatyczek do uszu. Następnie należy skonfigurować urządzenie TMS zgodnie z protokołem. W tym przykładzie zastosowano standardową stymulację dwufazową z wykorzystaniem cewki w kształcie ósemki.

Wybrana w tym przypadku częstotliwość stymulacji wynosi 10 hertz, a czas trwania ustawiono na 500 milisekund, co jest powszechnie stosowanym rozwiązaniem. Wybrane natężenie stanowi 55% maksymalnej mocy stymulatora. Zazwyczaj za odpowiednią moc uznaje się zakres od 50 do 70% maksimum.

Teraz, przed przeprowadzeniem eksperymentu, zapoznaj uczestnika ze stymulacją. Najpierw zademonstruj ją na ramieniu badacza. Następnie na ramieniu uczestnika. W dalszej kolejności zaprezentuj stymulację w każdym z miejsc testowych.

Cewkę należy zorientować stycznie do skóry głowy, tak aby linia maksymalnego strumienia magnetycznego przecinała miejsce stymulacji. Pozycję cewki należy monitorować przez cały czas trwania eksperymentu. W niektórych przypadkach może to prowadzić do dyskomfortu, który można zniwelować poprzez skorygowanie orientacji cewki.

Jeśli uczestnik nie toleruje stymulacji, należy przerwać badanie. Nie jest to jednak sytuacja częsta. Należy zastosować zadanie lokalizacyjne, które angażuje interesującą funkcję poznawczą i posiada mierzalne wskaźniki behawioralne, takie jak czas reakcji, dokładność lub ruchy gałek ocznych.

Stwórz kilka wersji zadania, aby uniknąć powtarzania bodźców podczas pierwszej sesji treningowej. Pozwól uczestnikowi przećwiczyć zadanie bez stymulacji. W kolejnej sesji treningowej wprowadź TMS pseudolosowo w 50% prób po zakończeniu sesji treningowych.

Przeprowadź zadanie lokalizacji w pierwszym miejscu stymulacji. Bezzwłocznie sprawdź, czy TMS wpłynął na wyniki uczestnika, na przykład poprzez wydłużenie czasu reakcji w porównaniu z warunkiem bez TMS. Wybierz miejsca, w których TMS wywołuje spójny, istotny i specyficzny dla danego miejsca efekt.

Czasami błędna lokalizacja może w rzeczywistości ułatwiać odpowiedzi w porównaniu do braku stymulacji ze względu na międzyzmysłową facylitację. Ponadto, duże efekty TMS są zazwyczaj artefaktami i wymagają ponownego przetestowania. Należy przetestować wiele lokalizacji jedna po drugiej w ramach tej samej sesji.

Należy również zapewnić kontrbalansowanie kolejności stymulacji miejsc u poszczególnych uczestników po lokalizacji, a w tej samej sesji przeprowadzić główny eksperyment, wykorzystując miejsce stymulacji, które zostało zlokalizowane funkcjonalnie. Należy zastosować inne zadanie niż to użyte do lokalizacji, ale takie, które angażuje ten sam kluczowy proces badawczy. Przykładowo: zadanie oceny rymów w celu lokalizacji oraz zadanie oceny homofonów w głównym eksperymencie.

Oba zadania wymagają tutaj przetwarzania fonologicznego słów pisanych, choć specyficzne wymagania zadań i bodźce różnią się od siebie, aby wykazać specyficzność funkcjonalną badanej lokalizacji, w tym poprzez uwzględnienie zadania, które nie obejmuje analizowanego procesu. Ponadto należy przebadać obszar kontrolny, aby wykazać specyficzność anatomiczną efektu. Następnie należy przeprowadzić albo tradycyjny eksperyment wirtualnej zmiany ogniskowej (virtual lesion), stosując te same parametry TMS co podczas lokalizacji, albo chronometryczny eksperyment TMS, w którym seria impulsów użyta podczas lokalizacji zostaje zastąpiona pojedynczym lub podwójnym impulsem podawanym w różnych punktach czasowych.

W ramach niniejszego badania sprawdzono, czy lewy zakręt nadbrzeżny jest przyczynowo zaangażowany w przetwarzanie dźwięków słów. Do zakrętu nadbrzeżnego podano pięć impulsów powtarzalnej TMS z częstotliwością 10 hertz i intensywnością 55% wartości maksymalnej. Podczas trzech zadań, z których każde składało się ze 100 prób, zadanie fonologiczne służyło skupieniu uwagi na dźwiękach słów.

Próby z zastosowaniem TMS charakteryzowały się istotnie dłuższym czasem reakcji niż próby bez TMS, co wskazuje, że TMS zakłócił przetwarzanie fonologiczne w zadaniu kontroli semantycznej skupionym na znaczeniu słów. Próby z TMS nie różniły się istotnie od prób bez TMS, co wskazuje, że TMS nie zakłócił w znacznym stopniu przetwarzania semantycznego. TMS skierowany na zakręt nadbrzeżny selektywnie wpłynął na przetwarzanie fonologiczne, ale nie na semantyczne.

Dodatkowe zadanie kontrolne polegało na prezentowaniu par ciągów spółgłosek i pytaniu, czy są one identyczne. Ponownie TMS nie wpłynął w ogóle na wyniki w tym zadaniu kontrolnym. Stymulacja lewego SMG selektywnie zakłócała przetwarzanie dźwięków słów.

Następnie, przy użyciu tego samego zadania, zbadano dynamikę czasową udziału SMG w przetwarzaniu fonologicznym. Podwójne impulsy TMS podawano w pięciu różnych oknach czasowych po pojawieniu się bodźca. W porównaniu z warunkiem bazowym, odnotowano istotny wzrost czasu reakcji, gdy TMS podawano w trzech późniejszych oknach czasowych.

Wyniki sugerują, że zaangażowanie SMG w przetwarzanie fonologiczne rozpoczyna się wcześnie i utrzymuje się przez około 100 milisekund. Należy pamiętać, że protokoły TMS posiadają dużą liczbę wolnych parametrów, a wybór optymalnych ustawień jest kluczowy dla uzyskania wiarygodnych efektów. W związku z tym każdy eksperyment TMS wymaga przeprowadzenia szeroko zakrojonych badań pilotażowych.

Po wybraniu wszystkich parametrów eksperyment TMS zazwyczaj trwa około godziny. Zależy to jednak oczywiście od tego, ile czasu uczestnik potrzebuje na zapoznanie się z TMS, a także od czasu niezbędnego do skutecznej lokalizacji miejsca stymulacji TMS. Co najważniejsze, podczas projektowania eksperymentu TMS należy zawsze uwzględnić kwestie bezpieczeństwa.

Ma to istotne znaczenie dla takich kwestii jak liczba prób, którym poddawany jest uczestnik, liczba warunków, które można przetestować, oraz liczba miejsc, które można zbadać w ciągu jednego dnia.