Extraindo potenciais evocados visuais de dados EEG gravado durante fMRI-guiada Estimulação Magnética Transcraniana

Resumo

Este artigo descreve um método para a coleta e análise de dados de eletroencefalografia (EEG) durante a estimulação simultânea magnética transcraniana (TMS) guiada por ativações reveladas com ressonância magnética funcional (fMRI). Um método para remoção TMS artefato e extração de potenciais relacionados a eventos é descrito, bem como considerações em design e configuração paradigma experimental.

Resumo

Estimulação Magnética Transcraniana (TMS) é um método eficaz para o estabelecimento de um nexo de causalidade entre uma área cortical e efeitos cognitivos / neurofisiológicos. Especificamente, criando uma interferência transitória com a actividade normal de uma região-alvo e medir alterações em um sinal eletrofisiológico, podemos estabelecer um nexo de causalidade entre a área do cérebro estimulada ou rede eo sinal eletrofisiológico que gravamos. Se as áreas-alvo do cérebro são funcionalmente definida com prévia fMRI, TMS pode ser usado para ligar as ativações de fMRI com potenciais evocados gravados. No entanto, a realização de tais experimentos apresenta desafios técnicos consideráveis, uma vez os artefatos alta amplitude introduzidas no sinal EEG pelo pulso magnético, ea dificuldade para atingir com sucesso as áreas que foram funcionalmente definidos por fMRI. Aqui nós descrevemos uma metodologia para combinar estas três ferramentas comuns: TMS, EEG e fMRI. Nós explicamos como orientar o estimulador & #39; s bobina para a área-alvo desejado, utilizando dados de ressonância magnética anatômicas ou funcionais, como gravar EEG durante concorrente TMS, como projetar um estudo de ERP adequado para combinação de EEG-TMS e como extrair ERP confiável a partir dos dados gravados. Vamos fornecer resultados representativos de um estudo publicado anteriormente, em que TMS RMf guiada foi utilizado simultaneamente com EEG para mostrar que a face selectiva N1 e o componente N1 corpo selectivo do ERP estão associadas com as redes neuronais distintas no córtex extra-estriado. Este método permite-nos combinar a alta resolução espacial de fMRI com a alta resolução temporal do TMS e EEG e, portanto, obter uma compreensão abrangente da base neural de vários processos cognitivos.

Introdução

Estimulação Magnética Transcraniana (TMS) gera interferência momentânea à atividade neural normal em áreas-alvo do cérebro. Ao criar esta interferência neural transitório e medindo uma mudança comportamental ou fisiológico, podemos tirar um nexo de causalidade entre a área alvo eo efeito experimental medida (para uma revisão ver Pascual-Leone et al. E Taylor et al. ^1,2). Tal efeito experimental pode ser, por exemplo, um desempenho de uma tarefa cognitiva ou uma mudança na electrofisiológico (EEG) actividade. De fato, nos últimos anos, pesquisadores começaram a usar TMS em combinação com EEG de se relacionar diretamente áreas corticais com potenciais relacionados a eventos (ERP) ou padrões de atividade oscilatórios (por exemplo, ^2-7). Neste trabalho metodológico vamos descrever um quadro específico e útil para combinar TMS e EEG: TMS fMRI-guiada durante um experimento ERP. Primeiro, iremos detalhar como aplicar TMS para áreas pré-definidas pela FMRI, durante a gravação de dados de EEG. Nós, então, descrever um projeto experimental que permite a extração de ERP confiável. O objetivo de tal experiência é causalmente áreas do cérebro de ligação reveladas com ressonância magnética funcional para componentes de ERP de interesse. Por último, vamos dar um exemplo específico de um estudo relativo rosto e corpo ERPs seletivo com rosto e corpo áreas seletivas que são reveladas com fMRI.

Qual é a vantagem de ligar sinais de EEG com ativações fMRI? EEG e fMRI são comumente usadas ferramentas para medir as respostas corticais a entrada visual. Por exemplo, a categoria-seletividade na via visual foi avaliada para diferentes categorias de objetos visuais, como rostos, partes do corpo, e as palavras escritas, tanto por meio de ERP extraídos de ^8,9 dados EEG e ressonância magnética funcional ^10-12. Os sinais medidos por estas duas ferramentas de investigação comuns são, no entanto, de fundamentalmente diferente natureza. EEG traz informações sobre a atividade elétrica neural com grande temporaisprecisão, mas muito baixa resolução espacial e pode refletir uma mistura de muitas fontes subjacentes separadas. A fMRI fornece uma medida indireta da atividade neuronal contando com as alterações hemodinâmicas lentos que ocorrem durante a apresentação do estímulo e / ou execução da tarefa, mas apresenta esta actividade com uma resolução espacial superior. Estabelecendo uma correlação entre as duas medidas podem, assim, ser de grande interesse, mas é limitada na medida em que não implica um nexo de causalidade entre a resposta eletrofisiológica gravada em couro cabeludo e as áreas reveladas com ressonância magnética funcional. Mesmo quando medido ao mesmo tempo (por exemplo, ^13-15), uma relação de causalidade entre direccional EEG e actividade em áreas corticais funcionalmente definidos não podem ser determinados. TMS é uma ferramenta que pode ajudar conseguir o estabelecimento de uma relação tão causal.

Um estudo do EEG-TMS simultânea é metodologicamente difícil, principalmente devido ao artefato de alta tensão introduzida no sinal EEG by a estimulação magnética (veja a Figura 1, para uma revisão ver Ilmoniemi et al. ^16). Este artefato consiste em uma perturbação passageira curta vida relacionada com pulso, muitas vezes seguido de um artefato secundário (ou residual) mais lento que pode durar algumas centenas de milissegundos após o pulso é entregue Figura 2A, substituindo, assim, a maioria dos componentes de ERP de interesse. Este artefato secundário podem incluir fontes mecânicas, tais como correntes induzidas pelo pulso magnético para a fiação ea lenta decadência dessas correntes na pele, e as fontes fisiológicas, tais como a atividade muscular sobre o couro cabeludo e auditiva ou potenciais evocados somatossensitivos provocada pela operação de a bobina de ^17-20. Embora as fontes de interferência mecânica provavelmente produzir artefactos de amplitude maiores do que os fisiológicos, estes diferentes artefactos não podem ser separados, e a existência de qualquer deles, em que o sinal pode confundir os resultados. Uma possível paração é a aplicação de pulsos TMS repetitivos antes EEG gravação ("off-line TMS"), em oposição ao simultânea de EEG-TMS. O efeito inibitório de um protocolo deste tipo sobre a actividade cortical persistir durante vários minutos (ou superior a meia hora) após a estimulação, e EEG pode ser medida durante esta janela de tempo efectiva e comparadas com os valores basais, pré-TMS, dados de EEG. Estimulação repetitiva, no entanto, é, por definição, a falta de alta resolução temporal que pode oferecer linha TMS, em que pulsos pode ser administrado a um momento preciso em relação ao início do estudo com a resolução de milisegundos. O efeito de estimulação repetitiva pode também propagar através de ligações corticais através de uma área mais ampla do que o desejado e, por conseguinte, reduzir significativamente a resolução espacial bem.

Para aproveitar tanto a resolução espacial e temporal que TMS pode fornecer uma combinação simultânea de EEG-TMS pode ser aplicada. No entanto, isto requer métodos para a remoção de produtos manufacturadosgerada pela estimulação magnética do sinal EEG. Muito poucas soluções matemáticas offline para remoção artefato TMS foram propostos ^16,21,22, embora nenhum método é acordado, e não há um método pode ser o ideal para todos os projetos experimentais. Um sistema de "recorte", que consiste em um circuito sample-and-hold, também foi desenvolvido para interromper momentaneamente a aquisição de EEG durante TMS entrega de pulso 20. Esta técnica não só exige hardware especializado, mas pode não remover completamente o artefato TMS residual. Neste artigo vamos descrever uma adaptação de uma metodologia de EEG-TMS desenvolvido pela Thut e colegas ^19, particularmente adequado para estudos de ERP. Esta técnica permite a extração confiável de ERP, eliminando todos os componentes de ruído residual causada pelo pulso TMS Figura 2. Vamos fornecer mais orientação geral para uma instalação experimental EEG-TMS sucesso.

Outro desafio em estudos TMS dirigida in este papel metodológico é encontrar a melhor posição da bobina e do ângulo para uma mira precisa da área cortical desejado. Vamos descrever o uso de um sistema de navegação estereotáxica para coregister cabeça do sujeito com as imagens funcionais de ressonância magnética pré-adquiridos. Embora o sistema de navegação pode ser utilizada para localizar as estruturas cerebrais anatomicamente definidas, uma segmentação RMf guiada é particularmente útil uma vez que para muitas funções e efeitos experimentais a localização precisa de activação não pode ser inferida a partir de marcadores anatómicos sozinho. Para essas regiões funcionais de interesse (ROI), a definição de uma área é feito para cada participante individual.

Para ilustrar todos os itens acima, vamos dar um exemplo de um estudo que fizemos anteriormente, em que o EEG foi gravado simultaneamente com TMS guiado por fMRI ativações ^7. Neste estudo, uma dissociação dupla foi feita entre ERPs face-seletivos e corporais seletivo: apesar de rosto e corpo ERPs ervilhak em torno dos mesmos sites de latência e de eletrodos, visando áreas face-seletivos e corporais seletivo definidos individualmente no lobo occipital lateral, nos permitiu dissociar as redes neurais subjacentes a cada resposta ERP. Finalmente, vamos tentar dar mais conselho geral para otimizar a gravação de EEG durante a aplicação TMS.

Protocolo

O ensaio é realizado em duas sessões separadas. Durante a primeira sessão de uma experiência de ressonância magnética funcional (por exemplo, um localizador funcional) é levada a cabo, a fim de definir as áreas de alvo TMS desejados numa base sujeito individual. Os resultados do fMRI são introduzidos em um sistema de navegação estereotáxica para um TMS precisos de segmentação. A segunda sessão é realizada após a análise dos dados de fMRI, durante os quais EEG é gravado simultaneamente com TMS. O protocolo aqui descrito foi aprovado pelo comitê de ética da Tel-Aviv Sourasky Medical Center.

No exemplo dado neste trabalho, os dados foram analisados ​​com MATLAB versão 7.7 (R2008b). O Statistical Parametric Mapping (SPM 5) software para MATLAB e marsbar caixa de ferramentas para SPM 23 foram utilizados para o processamento de dados de fMRI.

1. FMRI Session e fMRI Análise de Dados

1. Executar uma tarefa funcional MRI utilizando um planar imaging echo (EPI) seqüenciamentoe para determinar a focos de activação desejada para ser alvo de TMS. Para uma melhor dissociação entre zonas adjacentes, tais como o OFA e EBA no exemplo abaixo, é recomendada a digitalização de alta-resolução. Voxels de ³ mm 3 ou inferior, obtido com uma cabeça de bobina de 8 ou mais canais de MRI, são suficientes para delinear as regiões adjacentes.
2. Execute uma verificação estrutural em T1 para obter dados neuroanatômicos. Certifique-se de que o rosto do participante é inteiramente incluída no campo de visão de este tipo de exame, uma vez que os marcadores externos sobre a imagem (por exemplo, a ponta do nariz) será usado posteriormente para coregister cabeça do sujeito com a sua digitalização.
3. Após a coleta de dados, use a caixa de ferramentas para marsbar SPM para definir as regiões do cérebro desejados de interesse com base em contrastes entre as condições experimentais. Utilize os contrastes enfrentar> objetos para definir área enfrentam o occipital (OFA) e órgãos> objetos para definir área do corpo Extrastirate (EBA). Para garantir ainda mais thpara os dois alvos corticais são funcionalmente distintos, use "conjunção" (em marsbar) para mascarar a partir de cada ROI qualquer voxels que responderam à outra condição experimental (exclui face-voxels da EBA, e corpo-voxels do OFA).
4. Corregister as imagens T1 estruturais com os exames funcionais, usando SPM.
5. Copie os arquivos da verificação estrutural, bem como os arquivos de contraste funcionais relevantes, para uma unidade portátil, a fim de fazer o upload para o sistema de navegação.

2. Preparar um paradigma para o Experimento EEG-TMS que permitirá Extração ERP

Descrito na seção abaixo é um método de coleta de dados de EEG durante a aplicação TMS de uma forma que permite a extração de confiável e replicável ERPs ^19. A vantagem desta técnica é que ela lida facilmente com o, de longa duração, TMS artefato secundário, e é robusto o suficiente até mesmo para permitir a restauração de dados em eletrodos localizados logo abaixo da TMS cpetróleo, onde o artefato é de alta voltagem e maior duração.

1. Organização do paradigma
   1. Executar as diferentes condições de TMS (as diferentes áreas cerebrais alvo, bem como uma condição não-TMS) em blocos separados.
   2. Dentro de cada bloco de apresentar o participante com todas as condições de estímulo (por exemplo, rostos, objetos, cenas e assim por diante) aleatoriamente em um projeto relacionado a eventos.
   3. Para uma melhor qualidade de ERP e modelo TMS-ruído (abaixo) certifique-se de ter pelo menos 50 tentativas por condição.
2. Definir o calendário das TMS de pulso / pulsos para a latência desejado após o início da imagem. Isso é feito por meio de escrita para uma porta paralela, a partir do qual um cabo vai para o estimulador de TMS. Esta função está disponível na maioria dos softwares para experimentos psicológicos, como Psychtoolbox (versões 2 ou 3) para MATLAB 24 ou E-Prime (ver Tabela Materiais). Jitter o intervalo entre estímulos (ISI) para reduzir o estímulo (e pulso) previsibilidade (por exemplo, adicionar um valor aleatório entre 0 a 500 mseg em cada ISI).
3. Prepare uma condição em branco tela adicional:
   1. Prepare ensaios durante o qual TMS serão aplicadas na mesma intensidade, mas sem a apresentação do estímulo na tela. Estes ensaios em branco TMS de ecrã será servido para calcular um modelo de artefato TMS, na ausência de estimulação visual.
   2. Definir o número de repetições dos ensaios em branco a ser idêntico ao número de repetições de qualquer uma das condições experimentais dentro do bloco.
   3. Para obter uma representação precisa da forma do artefato residual TMS, embaralhar os ensaios em branco ao longo de todo o bloco, em vez de apresentá-los todos no início ou no final.

3. Configurando o EEG e do Sistema de neuronavegação e Realização do Experimento

TMS precisos de segmentação de ROIs definidas individualmente é possível com o uso de um navi estereotáxicagação do sistema, constituído por uma câmara de infravermelhos, sensores de infravermelhos montado na cabeça do participante, e um software especializado.

1. Participantes de tela com base em critérios de segurança TMS. Excluir de assuntos de participação com um eu ou história familiar de epilepsia, sujeita a outras condições neurológicas ou com enxaquecas freqüentes, e assuntos sobre drogas psicoativas. Apesar de não ser tipicamente selecionados para, indivíduos com suspeita de distúrbios autonômicos, como síncopes vasovagal (principalmente manifestadas como uma tendência a desmaiar facilmente) também podem ser excluídas. Instrua os participantes a evitar bebidas alcoólicas começando na noite anterior, e bebidas com cafeína, pelo menos 2 horas antes do experimento. Para obter mais instruções e discussão de segurança ver Rossi et al ^25, ea revisão de segurança Magstim ( http://joedevlin.psychol.ucl.ac.uk/tms/docs/magstim_safety.pdf ).
2. Prepare tele neuronavegação sistema:
   1. Antes da sessão começar, alimentar os arquivos digitalizados estruturais no software do sistema de navegação.
   2. Sobreponha os resultados de ressonância magnética funcional (os contrastes) nas imagens estruturais.
   3. Usando o software de neuronavegação, marque os alvos desejados nas imagens, assim como os marcadores anatômicos externos que servirão para coregistration: a ponta do nariz, a parte mais profunda da ponte do nariz, muitas vezes referido como nasion, eo tragus de cada orelha.
3. Monte a tampa EEG na cabeça do participante e conectar os eletrodos:
   1. Tente manter a impedância do eletrodo não superior a 5 kW.
   2. Para evitar o aquecimento relacionados com TMS dos eletrodos, usar o mínimo de gel possível. Para conseguir uma boa impedância com pouca quantidade de gel de realizar uma preparação da pele completa. Opcionalmente, peça aos participantes para lavar os cabelos antes de vir para o experimento.
   3. Certifique-se de que os fios de eletrodos não se cruzam each outra e são orientadas para fora a partir da localização da bobina. Evite laços nos fios.
   4. Use uma alta taxa de amostragem para uma melhor representação do artefato ruído. Recomenda-se usar 1 kHz ou acima, como a maioria dos estudos anteriores usando este método tem feito ^7,26-28.
   5. Coloque a referência e os eléctrodos de terra, na medida do possível da bobina. Neste exemplo, as áreas do córtex occipital foram alvo usando uma referência nariz e um terreno Fz ^7. Para outros exemplos, veja ^{3,4,27,29,30.} Note-se que os dados podem ser re-referenciada desligada para uma nova referência, conforme necessário, tal como a média comum.
      Nota: Para uma análise sobre a otimização da configuração TMS-EEG, consulte Veniero et al ^31.
4. Coregister cabeça do sujeito com a digitalização, como segue:
   1. Monte os detectores de infravermelho sobre a cabeça do participante.
   2. Coregister a localização cabeça com o sistema de navegação usando os marcadores predefinidos (pontado nariz, etc Ver Figura 3). Aconselha-se a repetir o coregistration entre blocos para garantir a colocação da bobina precisas em todas as fases.
5. Localize as áreas-alvo:
   1. Já o sujeito sentado com o queixo apoiado em uma chinrest à distância desejada da tela.
   2. Certifique-se que os participantes se sentem confortáveis ​​em sua cadeira, como eles são convidados a abster-se de movimentos durante os blocos experimentais (importantes para uma medição de ruído modelo exato).
   3. Escolha um alvo TMS do sistema de navegação Figura 3.
   4. Usando a ferramenta de ponteiro (ver Tabela Materiais), deixe o sistema de navegação orientar o usuário para o local bobina ideal e marcá-lo com um pequeno adesivo na tampa do eletrodo. É importante manter o ponteiro perpendicular à cabeça. Repita esta etapa antes de cada bloco. Note que não é recomendado o uso de navegação on-line durante o bloco (navegar a bobinaem si, mantendo-o) uma vez que qualquer movimento da bobina devem ser evitados por um melhor medida do modelo de artefato TMS. Verificou-se que predefinir e marcando o local TMS é a melhor maneira de realizar a estimulação estável.
   5. Guia centro preciso da bobina para o marcador, enquanto está a ser realizado por um titular. Certifique-se que é tangente à cabeça.
6. Definir a intensidade TMS para o valor desejado. Administrar um pulso de teste para aprovação do participante.
7. Execute o bloco experimental.
8. No-TMS condição: se uma bobina de sham TMS especializado não está disponível, coloque a bobina TMS ao lado da cabeça do sujeito e incliná-la em 90 °. Execute o bloco como de costume, incluindo os ensaios em branco.
   O leitor também pode se referir ao papel vídeo Jove por Andon e Zatorre ³² para mais uma demonstração do sistema de navegação.

4. Analisando os dados de EEG e Computação ERP

1. Retire o Artif pulso imediatoato, como se segue:
   1. Se um dispositivo de corte não está disponível (ver acima), o primeiro passo no processamento de dados de EEG seria cortar o imediato TMS pulso próprio produto manufacturado a partir dos dados. Note-se que esta etapa pode ser ignorada se os filtros não são desejados. Mas, se os filtros são aplicados, a forma afiada de ponta do artefato irá criar distorções nos dados. Um tempo estreita janela de 10 a 15 ms após o início de pulso deve ser suficiente, mas não se esqueça de verificar isso por inspeção visual dos dados.
   2. Ligue as duas extremidades cortadas criados após a remoção de pulso. Dois métodos principais para realizar isto foram sugeridas nos relatórios anteriores: 1 simplesmente unir as duas extremidades remanescentes após a remoção do pulso (ver Fuggetta ²⁶ et al e na Figura 1.);. 2. Interpolar uma linha entre os dois corte acaba por gerar valores igualmente espaçados entre eles ^7. A equação utilizada para esta interpolação é como se segue: para cada ponto de dados em falta y na amostra x,calcular y = y ₀ + _((1-y y ₀₎ * (xx ₀₎₎ / (x _{1-x 0)} em que x ₀ e ₀ y são as coordenadas para o último ponto de dados antes de o segmento de corte, e x ₁ e y ₁ são as coordenadas para o primeiro ponto de dados após o segmento de corte. Ambas as técnicas de assegurar que os filtros podem ser aplicados sobre os dados, sem produzir ondulações devido aos passos afiados voltagem, conforme demonstrado na Figura 1. Consulte a trabalho por Reichenbach e colegas ²⁷ para uma interpolação polinomial de 3 ^ª ordem mais complexa.
2. Aplique o método de subtração:
   1. Para cada bloco experimental, incluindo uma condição de controle não-TMS se presente, calcular uma média de ERP para os ensaios tela em branco por tempo prendê-los para início julgamento (como se uma imagem tinha sido apresentado).
   2. Subtraia esse modelo a partir de uma média de cada ensaio de todas as outras condições de estímulo. Se vários blocos foram executadospara o mesmo local de estimulação, fazê-lo separadamente, para cada bloco, como o molde será um pouco diferente entre os blocos.
3. Todas as outras etapas de pré-processamento e processamento são realizados como em qualquer outro experimento ERP.

Resultados

Uma investigação EEG-TMS concorrente foi usado para revelar se as respostas de ERP para rostos e corpos registrados ao longo do couro cabeludo occipito-temporal são dissociados. Quando estímulos visuais são apresentados, um componente N1 proeminente é gravado em locais de eletrodo póstero-lateral. Em particular, o componente N1 é tipicamente maior para rostos e corpos do que para outras categorias de estímulo ^8,33. Ao avaliar o efeito da estimulação no rosto e áreas do cérebro do corpo seletivo definidos com ...

Discussão

Ter a capacidade única de interromper momentaneamente a atividade neuronal normal em áreas corticais selecionados, em momentos precisos e com um relativamente boa precisão espacial, TMS permite ligar causalmente uma área do cérebro estimulada com um comportamento ou de uma medida neurofisiológica. Neste artigo descrevemos um método para medir EEG durante a aplicação TMS concorrente, visando áreas corticais funcionalmente definidos, e aplicar uma análise que permite uma medição confiável de respostas ERP. Nós demos um ex...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Scanner de ressonância magnética Signa 3.0 T	Amplificador General Electric
BrainAmp Brain	Products GmbH	BP-01300
Caixa de entrada de eletrodo	Brain Products GmbH		PowerPack opcional
- bateria para amplificador	Brain Products GmbH	BP-02615
BrainCap - 32 eletrodos planos em uma tampa flexível	Brain Products GmbH	BP-0300MR	Eletrodos planos devem ser usados para garantir uma distância mais curta entre a bobina e o couro cabeludo. Se forem usados eletrodos maiores (por exemplo tipo pino), remova os que estão sob a bobina
Estimulador TMS Super Rapid2	Magstim
50 mm bobina
	Qualquer braço mecânico ou tripé que possa segurar a bobina, ser ajustado no ângulo e local corretos e manter a bobina estável durante a estimulação
Câmera infravermelha Polaris	Rogue Research Inc
Rastreadores Polaris e ferramenta de ponteiro Rogue	Research Inc
Estação de trabalho e software BrainSight	Rogue Research Inc
Software BrainVision Recorder Brain	Products GmbH	BP-00010
Software MATLAB	The MathWorks Inc
SPM para Matlab	Wellcome Departamento de Neurociência de Imagem, Londres, Reino Unido
MarsCaixa de ferramentas da região de interesse do MarsBar para SPM
Psychtoolbox para MATLAB			Esta caixa de ferramentas e o software E-prime (abaixo) são exemplos de software de apresentação de estímulos capaz de fornecer comandos ao estimulador TMS e ao gravador de EEG com tempo confiável
Software	E-PrimeFerramentas de Software de Psicologia, Inc.