Stymulacja mózgu zależna od stanu mózgu z przezczaszkową stymulacją magnetyczną wyzwalaną elektroencefalografią w czasie rzeczywistym

Metoda łączy EEG i TMS w celu stymulacji mózgu zależnej od stanu mózgu w czasie rzeczywistym. Umożliwia to synchronizację paczek TMS z określoną fazą trwających endogennych oscylacji mózgu. Stymulacja mózgu to technika modulowania mózgu poprzez synchronizację poszczególnych impulsów TMS z określonym stanem mózgu zdefiniowanym przez EEG.

Efekt stymulacji można zoptymalizować. Standardowy TMS jest już stosowany w leczeniu chorób neurologicznych i psychiatrycznych, takich jak udar mózgu i depresja. TMS zsynchronizowany z EEG może poprawić wyniki leczenia przy użyciu spersonalizowanych protokołów stymulacji.

Używamy również TMS zsynchronizowanego z EEG do zbadania podstawowej neurofizjologii oscylacji mózgu u człowieka, porównując efekty bodźców, które są identyczne, ale są stosowane w różnych stanach mózgu. Efekty mogą być subtelne i łatwo wypłukane przez inne źródła zmienności eksperymentalnej. Odkryliśmy, że niska intensywność bodźca działa najlepiej w celu obserwacji wpływu sensorycznego rytmu motorycznego na pobudliwość rdzenia korowego.

Aby przeprowadzić eksperyment w pętli zamkniętej, aktywność mózgu jest rejestrowana za pomocą potencjałów EEG z powierzchni skóry głowy, które są digitalizowane przez wzmacniacz EEG. Sygnał jest następnie przekazywany do jednostki głównej EEG, a stamtąd do urządzenia czasu rzeczywistego, które steruje stymulatorem, zamykając w ten sposób pętlę sygnału między pomiarem a modulacją aktywności mózgu. Urządzenie czasu rzeczywistego analizuje oscylacje EEG i wysyła sygnał wyzwalający do stymulatora TMS, gdy spełniony jest z góry określony warunek wyzwalania, aby przepuścić krótki impuls prądu przez cewkę TMS, która jest umieszczona na głowie.

Podczas eksperymentu położenie cewki na głowie będzie monitorowane za pomocą urządzenia do neuronawigacji. Podłącz wyjście systemu EEG w czasie rzeczywistym do wejścia urządzenia czasu rzeczywistego i podłącz wyjście urządzenia czasu rzeczywistego do wejścia wyzwalającego stymulatora TMS. Zarejestruj uczestnika badania w systemie, upewniając się, że protokół jest zgodny z układem czapki EEG i że odpowiednie kanały są wysyłane do wyjścia w czasie rzeczywistym.

Na komputerze sterującym urządzeniem czasu rzeczywistego załaduj oprogramowanie do sterowania urządzeniem czasu rzeczywistego i upewnij się, że kanały wejściowe czasu rzeczywistego są zgodne z konfiguracją systemu EEG. Następnie włącz stymulator TMS i ustaw konfigurację na wyzwalanie zewnętrzne. Aby monitorować położenie cewki oraz osiągnąć dokładne i spójne ukierunkowanie TMS w ramach i między sesjami, przed rozpoczęciem eksperymentu dla każdego uczestnika należy załadować indywidualne dane strukturalnego rezonansu magnetycznego do oprogramowania systemu nawigacyjnego.

Następnie przymocuj tracker cewki do cewki stymulacyjnej i skalibruj cewkę. Gdy system jest gotowy, umieść na głowie uczestnika badania czepek EEG o odpowiedniej wielkości i użyj taśmy mierniczej, aby prawidłowo ustawić czepek. Odsuń włosy na bok tak, aby skóra głowy była widoczna i przygotuj skórę głowy za pomocą żelu ściernego.

Następnie nałóż żel przewodzący na elektrody i sprawdź, czy impedancje elektrod EEG są poniżej pięciu kiloomów. Przykryj nasadkę EEG folią i umieść siatkową nasadkę nad plastikową folią, aby utrzymać w stałej pozycji, aby zmniejszyć zmienność artefaktów EEG. Następnie nałóż taśmę samoprzylepną, aby zwiększyć stabilność wielu warstw i przyklej odblaskowy tracker głowy do głowy badanego, aby zapewnić stabilność przez cały czas trwania eksperymentu.

Przymocuj powierzchniowe elektrody EMG do oczyszczonych i przetartych mięśni docelowych i sprawdź wzrokowo trwające sygnały EEG i EMG pod kątem uszkodzonych elektrod. Trzymaj bipolarne EMG blisko siebie i blisko ciała uczestnika badania, aby zmniejszyć odbiór zakłóceń linii. Następnie użyj narzędzia wskaźnikowego, aby zarejestrować model głowy z odpowiednimi anatomicznymi punktami orientacyjnymi i wskazać lokalizacje czujników EEG, aby umożliwić późniejsze oszacowanie poszczególnych źródeł aktywności EEG.

Aby przeprowadzić eksperyment TMS zsynchronizowany z EEG w czasie rzeczywistym, najpierw określ dokładną lokalizację, w której TMS kory ruchowej wywołuje najsilniejszą reakcję motoryczną mięśni dłoni. Następnie zaznacz ten hotspot i pozycję cewki w oprogramowaniu do neuronawigacji. Następnie przymocuj głowę osoby badanej za pomocą poduszki próżniowej i zamocuj cewkę w miejscu hotspotu za pomocą ramienia mechanicznego.

Aby określić progową intensywność stymulacji, stopniowo dostosowuj intensywność stymulacji, aż 50% impulsów TMS spowoduje reakcję motoryczną. Tutaj intensywność została ustawiona na 110% intensywności progowej. Aby skonfigurować system czasu rzeczywistego do łączenia wielu kanałów EEG w celu wyodrębnienia określonej oscylacji, użyj pięciokanałowego filtra przestrzennego Laplace'a wyśrodkowanego na elektrodzie C3 w celu wyodrębnienia sensorycznego rytmu motorycznego.

Aby wyzwolić TMS przy dodatnim lub ujemnym szczycie tej oscylacji, ustaw warunek wyzwalania fazy na fazę zero lub fazę pi losowo dla każdej próby, zanim uzbroisz urządzenie w czasie rzeczywistym i ustawisz sekwencję, która ma być powtarzana w pętli co dwie sekundy. Następnie uruchom eksperyment przez około 10 minut, aby uzyskać wystarczającą liczbę prób, aby zróżnicować efekty stymulacji specyficznej dla fazy. Podczas eksperymentu pozycja cewki będzie monitorowana w systemie neuronawigacji, a sygnały EEG i EMG będą monitorowane w systemie EEG.

Surowe dane, a także EEG przed bodźcem i odpowiedź mięśni po bodźcu dla każdego stanu są również wyświetlane w systemie EEG. Urządzenie czasu rzeczywistego będzie wykonywać filtrowanie przestrzenne w celu ukierunkowania na obszar mózgu będący przedmiotem zainteresowania oraz filtrowanie pasmowo-przepustowe w celu wyizolowania oscylacji zainteresowania, szacując chwilową amplitudę i fazę za pomocą autoregresyjnego przewidywania do przodu i transformaty Hilberta. Sygnał ten jest następnie porównywany ze stanem wyzwolenia.

Jeśli spełnione są warunki progu mocy i fazy, uruchamiany jest stymulator. Korzystając z wyświetlanych średnich biegowych online, podczas eksperymentu można oszacować dokładność celowania w fazę i wpływ fazy na odpowiedź mięśni. Na tych rysunkach pokazano średni sygnał EEG przed bodźcem w ciągu 400 milisekund przed impulsem TMS dla trzech predefiniowanych warunków oraz średnie wywołane potencjały motoryczne zarejestrowane z mięśni prawej ręki.

Podsumowując, wyniki te pokazują, że ujemne odchylenie EEG mikrorytmu odpowiada wyższemu stanowi pobudliwości kory mózgowej, co prowadzi do większych amplitud potencjału wywołanego motorycznego w porównaniu z dodatnim odchyleniem EEG przy niskiej zmienności międzypróbnej odnotowanych efektów pobudliwości korowo-rdzeniowej. Potrzebujemy stabilnego i czystego sygnału EEG. Kluczem jest dobrze przygotowany uczestnik badania, który jest zrelaksowany, wygodny i potrafi usiedzieć spokojnie.

Jest to łatwa w użyciu metoda typu plug and play do zbadania, czy stany połączeń korowych na dużą skalę mają wpływ przyczynowy w eksperymentach opartych na perturbacjach. Patrząc na jedną zlokalizowaną oscylację, to dopiero pierwszy krok. Udało nam się wykorzystać wyniki tej techniki, aby pokazać, że powtarzające się TMS mają ujemny szczyt trwających wyników oscylacji czuciowo-motorycznych i długoterminowe wzmocnienie, takie jak plastyczność.

TMS jest zabiegiem bezpiecznym i bezbolesnym. Bardzo rzadkim działaniem niepożądanym jest napad padaczkowy u osób wrażliwych, a czasami może wystąpić łagodny przejściowy ból głowy.