Stymulacja mózgu zależna od stanu mózgu z przezczaszkową stymulacją magnetyczną wyzwalaną elektroencefalografią w czasie rzeczywistym
20 sierpnia 2019
Ten artykuł opisuje przezczaszkową stymulację magnetyczną w czasie rzeczywistym wyzwalaną elektroencefalografią w celu badania i modulowania sieci ludzkiego mózgu.
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.
Przegląd
To badanie przedstawia metodę, która łączy elektroencefalografię (EEG) w czasie rzeczywistym z transkranialną stymulacją magnetyczną (TMS) w celu zbadania i modulacji sieci mózgu człowieka. Podejście to pozwala na synchronizację impulsów TMS z określonymi fazami trwających oscylacji mózgu, co potencjalnie może poprawić wyniki leczenia schorzeń neurologicznych i psychiatrycznych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Elektrofizjologia
- Techniki stymulacji mózgu
Tło
- Standardowa TMS jest stosowana w leczeniu różnych zaburzeń neurologicznych i psychiatrycznych.
- EEG-synchronizowana TMS oferuje spersonalizowane protokoły stymulacji.
- Badanie efektów stymulacji w różnych stanach mózgu może ujawniać subtelne neurofizjologiczne wnioski.
- Niskie natężenie stymulacji może być optymalne do obserwacji określonych reakcji mózgu.
Cel badania
- Zbadanie wpływu zsynchronizowanej TMS na oscylacje mózgu.
- Optymalizacja technik stymulacji mózgu dla lepszych wyników leczenia.
- Zrozumienie neurofizjologii oscylacji mózgu poprzez modulację w czasie rzeczywistym.
Stosowane metody
- Dane EEG są rejestrowane i analizowane w czasie rzeczywistym, aby wyzwolić TMS.
- Cewka TMS jest ustawiana za pomocą neuronawigacji dla dokładnego ukierunkowania.
- Uczestnicy przechodzą serię prób w celu oceny efektów stymulacji fazowej.
- Dane z EEG i EMG są monitorowane w celu oceny reakcji mięśni.
Główne wyniki
- Analiza EEG w czasie rzeczywistym pozwala na precyzyjne czasowanie impulsów TMS.
- Efekty stymulacji fazowej mogą być zróżnicowane podczas prób.
- Stymulację o niskiej intensywności poprawia obserwację reakcji mózgu.
- Dokładne ustawianie cewki poprawia niezawodność wyników stymulacji.
Wnioski
- EEG-synchronizowana TMS jest obiecującą techniką do badania sieci mózgowych.
- Ta metoda może prowadzić do ulepszenia strategii terapeutycznych w chorobach mózgu.
- Wymagane są dalsze badania, aby w pełni zrozumieć konsekwencje stymulacji zależnej od fazy.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Real-time EEG-triggered TMS enables precise modulation of cortical excitability by aligning stimulation with endogenous brain oscillations, offering a pathway to de-risk target validation in neuromodulation therapeutics. This approach supports mechanistic interrogation of brain state-dependent responses, improving predictive confidence in early-stage discovery of stimulation protocols for neurological indications. By isolating phase-specific effects, the method enhances translational continuity from basic neurophysiology to personalized therapeutic development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by testing how brain state influences cortical excitability and plasticity induction.
- Operational Value: Provides a controlled system to isolate the effect of stimulation timing on neurophysiological outcomes.
- Predictive Value: Supports target confidence by identifying optimal brain states for efficacious neuromodulation.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Delivers quantifiable, phase-dependent motor evoked potential readouts for standardized stimulation screening.
- Reproducibility: Uses real-time EEG triggering to minimize inter-trial variability in stimulation response measurements.
- Scalability: Supports repeated trials with consistent coil positioning via neuro-navigation for reliable data acquisition.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Bridges basic oscillation research to clinical protocol development by identifying brain states that enhance plasticity.
- Mechanistic De-risking: Clarifies how endogenous rhythms modulate stimulation effects, reducing ambiguity in dose-response relationships.
- Preclinical Alignment: Supports disease-relevant system validation through sensorimotor rhythm targeting in human motor cortex.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical optimization by enabling brain state-stratified evaluation of neuromodulation interventions.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing on how oscillatory phases gate cortical responsiveness to stimulation.
- Screening: Enables assay standardization through phase-locked stimulation and quantifiable EMG-based motor evoked potential measurements.
- Analytics: Provides phase-specific amplitude and latency readouts that allow comparison of stimulation conditions across brain states.
- Translational Research: Supports biomarker alignment by linking EEG phase patterns to plasticity-inducing stimulation windows.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for evaluating stimulation timing across targets, intensities, and oscillation bands.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target engagement by revealing state-dependent modulation of neural circuits.
- Operational Value: Enhances reproducibility through closed-loop EEG triggering and standardized coil targeting.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by identifying stimulation parameters most likely to induce plasticity.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of neuromodulation candidates based on brain state responsiveness.
Implementation Considerations
- Requires expertise in EEG signal processing, TMS safety protocols, and neuro-navigation for accurate targeting.
- Depends on real-time processing infrastructure capable of band-pass filtering, phase estimation, and trigger latency control.
- Necessitates cross-team standardization between electrophysiology, stimulation, and motor outcome measurement teams.
- Involves adaptation considerations when applying the method to different oscillation bands or cortical targets beyond sensorimotor rhythm.
- Relies on low-stimulus intensity paradigms to detect subtle state-dependent effects, as higher intensities may obscure phase-specific modulation.
