Multimodalna metoda obrazowania i stymulacji oceny pobudliwości mózgu związanej z łącznością u pacjentów z padaczką
13 listopada 2016
Rezonans magnetyczny funkcjonalnej łączności w stanie spoczynku zidentyfikował nieprawidłowości u pacjentów z szerokim zakresem zaburzeń neuropsychiatrycznych, w tym padaczką spowodowaną wadami rozwojowymi kory mózgowej. Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna w połączeniu z EEG może wykazać, że pacjenci z padaczką mają nadpobudliwość kory mózgowej w regionach o nieprawidłowej łączności.
Ogólnym celem niniejszego eksperymentu jest ocena regionalnej nadpobudliwości kory u pacjentów z epilepsją z wykorzystaniem funkcjonalnej łączności w stanie spoczynku, przezczaszkowej stymulacji magnetycznej kierowanej za pomocą MRI w połączeniu z jednoczesnym zapisem EEG. Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie epilepsjologii i neurofizjologii, takie jak to, czy u pacjentów z epilepsją występują dowody nadpobudliwości w obszarach uznawanych za część sieci epileptogennej. Główną zaletą tej techniki jest możliwość oceny różnic w pobudliwości mózgu w zależności od łączności, a także możliwość oceny reaktywności kory w wielu różnych obszarach mózgu.
Technika ta ma znaczenie dla diagnozowania i leczenia epilepsji, ponieważ nadpobudliwość kory może zostać zidentyfikowana nawet przy prawidłowym wyniku rutynowego badania EEG, a obwody epileptogenne mogą stać się celem terapeutycznym. Procedurę zaprezentuje Tamara Gedankian, asystentka badawcza w moim laboratorium. Przed przeprowadzeniem testów należy wyznaczyć dwa obszary docelowe TMS poprzez nałożenie mapy łączności funkcjonalnej każdego badanego na jego obraz strukturalny.
Aby rozpocząć sesję eksperymentalną, należy wprowadzić badanego do pomieszczenia testowego i poprosić go o zajęcie miejsca na krześle. Należy zmierzyć głowę badanego i dobrać czepek do elektroencefalografii (EEG) o odpowiednim rozmiarze, aby zapewnić niską impedancję elektrod. Następnie, za pomocą patyczka higienicznego nasączonego alkoholem, należy dokładnie oczyścić skórę pod każdą elektrodą.
Nanieś żel przewodzący na każdą elektrodę, a następnie dociśnij elektrodę, aby zapewnić dobry kontakt między skórą głowy, żelem a elektrodą. Aby zminimalizować artefakty ładowania, upewnij się, że żel nie wypłynął poza uchwyt elektrody. Umieść elektrody referencyjną oraz uziemiającą na czole, jak najdalej od cewki stymulującej, aby zminimalizować ryzyko zanieczyszczenia całego zapisu artefaktem elektrodowym wywołanym przez TMS.
Umieść te elektrody w odległości kilku centymetrów od siebie, aby zminimalizować szumy wspólne. Następnie naciśnij przycisk pomiaru impedancji w systemie EEG. Sprawdź impedancję elektrod, podłączając kable wyjściowe EEG do gniazda impedancji systemu rejestracji EEG.
Należy upewnić się, że impedancja elektrody nie przekracza 5 kΩ. Następnie należy przygotować elektrody do elektromiografii na przeciwległej dłoni. Proszę przekazać badanemu zatyczki do uszu, aby zminimalizować ryzyko utraty słuchu i wystąpienia szumów usznych.
Następnie umieść detektory podczerwieni na głowie badanego, dbając o to, aby detektory zostały rozmieszczone w sposób minimalizujący ryzyko przesunięcia podczas sesji eksperymentalnej. Wykonaj korejestrację głowy badanego z obrazami MRI, identyfikując lokalizację wcześniej wybranych, zewnętrznych anatomicznych markerów fiducjalnych na badanym przy użyciu wskaźnika dołączonego do sprzętu neuronawigacyjnego. Zapoznaj badanego ze stymulacją, aplikując impuls w innym miejscu lub podając impuls stymulujący o niskim natężeniu na skórę głowy.
Wyznacz próg motoryczny w spoczynku, lokalizując korę ruchową badanego na półkuli ipsilateralnej względem celów opartych na łączności funkcjonalnej. Ustaw cewkę prostopadle do zakrętu, kierując uchwyt ku tyłowi głowy, i rozpocznij stymulację z natężeniem, które z założenia będzie poniżej progu. Następnie zwiększaj natężenie stymulacji w krokach co 5% maksymalnej mocy stymulatora, aż do momentu, gdy TMS będzie konsekwentnie wywoływać potencjały wywołane ruchowo o amplitudach przekraczających 50 µV w każdej próbie.
Zmniejszaj natężenie stymulacji w krokach o 1% maksymalnej mocy stymulatora, aż do momentu, gdy zarejestrowanych zostanie mniej niż pięć pozytywnych odpowiedzi na 10 prób. Następnie ustaw natężenie TMS na pożądaną wartość. Przy zastosowaniu oprogramowania do neuronawigacji podawaj pojedyncze impulsy TMS do każdego z obszarów docelowych, stosując zmienne odstępy między impulsami w celu zminimalizowania plastyczności kory oraz efektów oczekiwania u badanego.
Zacznij od przeprowadzenia wstępnej rundy analizy niezależnych komponentów (Independent Component Analysis, ICA) i usuń jeden lub dwa komponenty reprezentujące silną, początkową aktywację mięśni indukowaną przez TMS. Aby to zrobić, uruchom ICA metodą fast ICA z podejściem symetrycznym i funkcją kontrastu 10, używając polecenia pokazanego tutaj. Zidentyfikuj komponenty zgodne z artefaktem TMS, wybierając Tools, Reject data using ICA, a następnie usuń komponenty na podstawie mapy (remove components by map), co wyświetli mapy topograficzne wszystkich komponentów ICA.
Następnie kliknij numer każdego komponentu, aby wyświetlić szczegóły komponentu. Dalej, usuń komponenty artefaktowe, wybierając Narzędzia, Usuń komponenty i wpisując odpowiednie numery komponentów w polu Komponent(y) do usunięcia z danych. W wyświetlonym oknie potwierdzenia naciśnij Wykreśl ERP, aby przejrzeć potencjały wywołane, czyli ERP, które są wynikiem usunięcia wybranych komponentów.
Aby przejrzeć efekty pojedynczych prób, należy nacisnąć Plot single trials. Po przeanalizowaniu ERP, podobnie jak w przypadku pojedynczych prób, należy nacisnąć przycisk Accept, aby usunąć wybrane komponenty. Następnie należy przeprowadzić drugą rundę ICA i usunąć komponenty odpowiadające artefaktom zaniku, mrugnięć, aktywności mięśniowej oraz szumom elektrod.
Aby to osiągnąć, należy przeprowadzić ICA metodą fast ICA z podejściem symetrycznym i funkcją kontrastu tan, analogicznie do pierwszej rundy ICA. W podobny sposób należy ocenić właściwości komponentów, korzystając z mapy topograficznej, tak jak zrobiono to w pierwszej rundzie ICA. Następnie należy zaznaczyć komponenty zgodne z pozostałościami artefaktów zaniku TMS, artefaktami mrugania oraz artefaktami mięśniowymi.
Dodatkowo należy oznaczyć komponenty zgodne z szumem kanału na podstawie rozkładu przestrzennego i czasowego. Na koniec usuń oznaczone komponenty, analogicznie do pierwszej rundy ICA, wybierając Tools, Remove components i wpisując odpowiednie numery komponentów w polu Component(s)to remove from data. MRI funkcjonalnej łączności w stanie spoczynku jest wykorzystywane do identyfikacji obszarów na powierzchni kory wykazujących łączność z obszarami heterotopii.
TMS tych obszarów wywołuje nieprawidłowo zwiększoną aktywność opóźnioną w porównaniu z obszarami, które nie wykazują nieprawidłowej łączności, oraz w porównaniu z tymi samymi miejscami u zdrowych osób kontrolnych. W tym przypadku lokalizacja źródła nieprawidłowych późnych pików w potencjałach wywołanych TMS u pacjentów z epilepsją może pozwolić na zidentyfikowanie obszarów mózgu, z których pochodzi nieprawidłowa aktywność. Może ona współlokalizować przestrzennie z ogniskiem napadów pacjenta.
Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać gruntowną wiedzę na temat wykorzystania funkcjonalnej konektywności w stanie spoczynku, obrazowania MRI oraz TMS EEG do oceny pobudliwości mózgu w różnych obszarach u pacjentów z epilepsją i innymi zaburzeniami neuropsychiatrycznymi. Po zastosowaniu tej procedury można przeprowadzić inne metody, takie jak repetytywna TMS, aby ustalić, czy zmniejszenie pobudliwości kory w obszarach mózgu będących częścią sieci patogennej może zmodyfikować aktywność choroby.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie ocenia regionalną nadpobudliwość kory u pacjentów z epilepsją, wykorzystując funkcjonalną konektywność w stanie spoczynku oraz przezczaszkową stymulację magnetyczną (TMS) naprowadzaną za pomocą MRI w połączeniu z EEG. Podejście to ma na celu zidentyfikowanie nadpobudliwości w obszarach mózgu powiązanych z siecią epileptogenną.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Neurofizjologia
- Badania nad epilepsją
Wstęp
- fMRI w stanie spoczynku ujawnia nieprawidłowości w zaburzeniach neuropsychiatrycznych.
- Pacjenci z epilepsją często wykazują nadpobudliwość kory mózgowej.
- Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna pozwala ocenić reaktywność kory.
- Identyfikacja nadpobudliwości może usprawnić strategię diagnostyczną i terapeutyczną.
Cel badania
- Ocena nadpobudliwości kory mózgowej u pacjentów z epilepsją.
- Określenie, czy nadpobudliwość koreluje z nieprawidłową łącznością.
- Zbadanie implikacji dla celowanego leczenia obwodów epileptogennych.
Zastosowane metody
- Analiza funkcjonalnej łączności w stanie spoczynku.
- Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna pod kontrolą MRI.
- Symultaniczne rejestrowanie EEG.
- Nakładanie map łączności funkcjonalnej na obrazy strukturalne.
Główne wyniki
- Dowody na nadpobudliwość kory w określonych obszarach mózgu.
- Identyfikacja różnic w pobudliwości mózgu w zależności od połączeń neuronalnych.
- Potencjał terapeutycznego celowania w obwody epileptogenne.
- Wyniki mogą pogłębić zrozumienie mechanizmów epilepsji.
Wnioski
- Nadpobudliwość korową można wykryć nawet podczas rutynowego badania EEG.
- Metoda ta dostarcza informacji na temat sieci epileptogennej.
- Wyniki potwierdzają zasadność stosowania TMS i EEG w diagnostyce i leczeniu epilepsji.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ta multimodalna metoda obrazowania i stymulacji umożliwia działom badawczo-rozwojowym w sektorze biofarmaceutycznym ocenę nadpobudliwości kory w modelach epilepsji, wspierając walidację celów terapeutycznych poprzez powiązanie nieprawidłowości w łączności funkcjonalnej z fenotypami elektrofizjologicznymi. Stanowi ona narzędzie do mechanistycznego ograniczania ryzyka w ocenie zmian pobudliwości na poziomie obwodów w badaniach przedklinicznych i translacyjnych, szczególnie w przypadku wskazań neuropsychiatrycznych, w których nadpobudliwość sieci jest domniemanym czynnikiem sprawczym choroby. Podejście to zwiększa pewność prognostyczną w wyborze celu poprzez wykazanie przyczynowego związku między zmianami łączności a stanami patofizjologicznymi.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Pozwala na weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez badanie, czy obszary o nieprawidłowej łączności w stanie spoczynku wykazują przyczynową nadpobudliwość w wyniku perturbacji TMS-EEG.
- Wartość operacyjna: Umożliwia biologiczną redukcję ryzyka w wyborze celów terapeutycznych poprzez ustalenie, czy zmiany łączności korelują z mierzalną dysfunkcją elektrofizjologiczną w układach istotnych dla danej choroby.
Przesiewy i opracowanie analizy
- Wartość naukowa: Przygotowuje zwalidowane systemy biologiczne z ilościowo określonymi odpowiedziami EEG wywołanymi przez TMS, stanowiąc standaryzowany test do przesiewowania związków modulujących pobudliwość kory mózgowej.
- Wartość operacyjna: Wspiera powtarzalność testów dzięki celowaniu sterowanemu przez MRI oraz usuwaniu artefaktów w oparciu o ICA, co umożliwia wiarygodne porównania podłużne lub międzywarunkowe.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Wykazuje istotność w kontekście choroby, pokazując, że nieprawidłowa aktywność wywołana przez TMS współistnieje przestrzennie z obszarami początku napadów, co potwierdza ciągłość między biomarkerami łączności a obwodami patofizjologicznymi.
- Wartość operacyjna: Ułatwia podejmowanie decyzji o dalszym rozwoju z uwzględnieniem ryzyka, dostarczając translacyjnego odczytu nadpobudliwości obwodów, który może być monitorowany od etapu odkrywania po etapy przedkliniczne.
Integracja potoków i przepływów pracy
Metoda ta integruje się z kontinuum odkryć poprzez wstępną identyfikację aberrantnych sieci za pomocą rs-fcMRI, następnie badanie ich przyczynowej pobudliwości przy użyciu TMS-EEG, a na koniec walidację zaangażowania celu poprzez normalizację nieprawidłowych późnych komponentów w potencjałach wywołanych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez poprzez określenie, czy funkcjonalnie połączone obszary wykazują patologiczną nadpobudliwość, co pozwala wyjaśnić mechanizmy na poziomie sieci w modelach epilepsji.
- Przesiewanie: Umożliwia przygotowanie testów dzięki standaryzowanemu stosowaniu impulsów TMS i kwantyfikacji ERP, co pozwala na ocenę wpływu związków na reaktywność kory mózgowej.
- Analityka: Generuje ilościowe pomiary zmiennych zależnych (np. latencję i amplitudę późnych komponentów potencjałów wywołanych TMS), co umożliwia statystyczne porównanie stanów chorobowych i kontrolnych.
- Badania translacyjne: Zapewnia ciągłość przedkliniczną poprzez wykazanie przestrzennej kolokalizacji nieprawidłowej aktywności wywołanej TMS ze strefami epileptogennymi, wspierając walidację celów zgodną z biomarkerami.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Stanowi platformę wielokrotnego użytku do badania pobudliwości obwodów w różnych wskazaniach neuropsychiatrycznych, nie ograniczając się do jednorazowej walidacji eksperymentalnej.
Wpływ operacyjny i organizacyjny
- Wartość naukowa: Zapewnia pewność prognostyczną w walidacji celu poprzez powiązanie nieprawidłowości w łączności z przyczynowymi fenotypami elektrofizjologicznymi, co zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w wyborze celów neuropsychiatrycznych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację i powtarzalność dzięki TMS kierowanemu przez neuronawigację, stałym odstępom między impulsami oraz wieloetapowej korekcji artefaktów metodą ICA.
- Wartość strategiczna: Usprawnia decyzje typu go/no-go, umożliwiając wczesne wykrycie nadpobudliwości obwodów, nawet gdy rutynowe EEG jest prawidłowe, co redukuje biologiczne ryzyko w późnych etapach programów badawczych nad OUN.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko poprzez identyfikację celów, których modulacja normalizuje patologiczną pobudliwość, co informuje alokację kapitału w kierunku kandydatów o zminimalizowanym ryzyku mechanistycznym.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu neurofizjologii, protokołów bezpieczeństwa TMS, akwizycji EEG oraz multimodalnej korejestracji obrazów.
- Zależne od systemów neuronawigacyjnych, cewek TMS kompatybilnych z jednoczesną rejestracją EEG oraz czepków EEG o wysokiej gęstości w celu zminimalizowania artefaktów.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej pomiędzy zespołami zajmującymi się obrazowaniem, stymulacją i elektrofizjologią w celu zapewnienia spójnego wyboru celu oraz interpretacji danych.
- Obejmuje kwestie adaptacyjne przy zastosowaniu w różnych systemach modelowych, ponieważ wielkość głowy, pozycjonowanie cewki i parametry ICA mogą wymagać optymalizacji w zależności od gatunku lub szczepu.
- Obejmuje ograniczenia praktyczne, takie jak podatność na artefakty ruchowe, zmienność międzyosobniczą przewodnictwa czaszki oraz konieczność dokładnego screeningu badanych w celu wykluczenia przeciwwskazań do TMS.
![Ilościowa analiza [18F]-Naf-PET-MRI do oceny dynamicznego obrotu kostnego u pacjenta z facetogenetycznym bólem krzyża](/_next/image?url=https%3A%2F%2Fcloudfront.jove.com%2FCDNSource%2Fteasers%2F58491.jpg%3Fv%3D2026-07-04T05%253A56%253A06.000Z&w=384&q=75)
![Ocena półilościowa przy użyciu znacznika FDG [18F] u pacjentów z ciężkim uszkodzeniem mózgu](/_next/image?url=https%3A%2F%2Fcloudfront.jove.com%2FCDNSource%2Fteasers%2F58641.jpg%3Fv%3D2026-08-11T08%253A27%253A20.333Z&w=384&q=75)