Artigo de método

Estimulação magnética transcraniana combinada e Eletroencefalografia do córtex pré-frontal Dorsolateral

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DOI:

10.3791/57983

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17 de agosto de 2018

 ,  ,  ,  , 
1Temerty Centre for Therapeutic Brain Intervention at the Centre for Addiction and Mental Health, 2Department of Psychiatry and Institute of Medical Science, Faculty of Medicine, University of Toronto

Neste artigo

Resumo

O protocolo aqui apresentado é para estudos de TMS-EEG utilizando paradigmas de projeto de teste-reteste intracortical excitabilidade. A intenção do protocolo é produzir medidas de excitabilidade cortical confiável e reprodutível para avaliar o funcionamento neurofisiológico relacionadas a intervenções terapêuticas no tratamento de doenças neuropsiquiátricas como depressão maior.

Resumo

Estimulação magnética transcraniana (TMS) é um método não invasivo, que produz a excitação neural no córtex através de pulsos de campo magnético de breve, variáveis no tempo. A iniciação da ativação cortical ou sua modulação depende da ativação de fundo de neurônios da região cortical ativada, as características da bobina, sua posição e sua orientação em relação a cabeça. TMS combinado com simultânea electrocephalography (EEG) e neuronavigation (nTMS-EEG) permite a avaliação de conectividade em quase todas as áreas corticais e córtico-cortical excitabilidade de forma reproduzível. Este avanço faz nTMS-EEG uma ferramenta poderosa que pode avaliar com precisão dinâmica do cérebro e neurofisiologia no teste-reteste paradigmas que são necessárias para ensaios clínicos. Limitações do método incluem artefatos que cobrem a reatividade inicial do cérebro à estimulação. Assim, o processo de remoção de artefatos também pode extrair informações valiosas. Além disso, os parâmetros ideais para a estimulação de (DLPFC) pré-frontal dorsolateral não são totalmente conhecidos e protocolos atuais utilizam variações dos paradigmas de estimulação do córtex motor (M1). No entanto, em evolução projetos nTMS-EEG esperam abordar estas questões. O protocolo apresentado aqui introduz algumas práticas padrão para avaliar o funcionamento neurofisiológico de estimulação para o DLPFC que pode ser aplicado em pacientes com distúrbios psiquiátricos resistentes ao tratamento que recebem tratamento, tais como estimulação transcraniana de corrente contínua (tDCS), a estimulação magnética transcraniana repetitiva (rTMS), terapia magnética apreensão (MST) ou eletroconvulsoterapia (ECT).

Introdução

Estimulação magnética transcraniana (TMS) é uma ferramenta neurofisiológica que permite a avaliação não invasiva da atividade neuronal cortical através do uso de pulsos rápidos, variáveis no tempo campo magnético1. Estes pulsos de campo magnético induzem uma corrente fraca no córtex superficial sob a bobina que resulta na despolarização da membrana. A consequente ativação cortical ou modulação está directamente relacionada com as características da bobina, seu ângulo e orientação para o crânio2. A forma de onda do pulso alta da bobina e o estado subjacente dos neurônios também influenciam a ativação cortical resultante3.

TMS permite a avaliação das funções corticais por evocar respostas comportamentais ou motor, ou através da interrupção de processamento relacionados à tarefa. A excitabilidade dos processos córtico-espinhal pode ser avaliada através de gravação eletromiográficas respostas (EMG) eliciadas do único TMS pulsos sobre o córtex motor, Considerando que intracortical excitatória (facilitação intracortical; ICF) e mecanismos inibitórios (inibição intracortical longo e curto; JCL e Supersaturado) podem ser sondada com TMS emparelhado-pulso. TMS repetitiva pode perturbar vários processos cognitivos, mas é usado principalmente como uma ferramenta terapêutica para uma variedade de distúrbios neuropsiquiátricos. Além disso, a combinação de TMS com simultânea Eletroencefalografia (EEG TMS) pode ser usada para avaliar córtico-cortical excitabilidade e conectividade4. Finalmente, se a administração do TMS é entregue com neuronavigation (nTMS), permitirá para teste-reteste precisos paradigmas desde o local exato da estimulação pode ser gravado. A maioria do manto cortical pode ser orientada e estimulada (incluindo aquelas áreas que não produzem respostas comportamentais ou físicas mensuráveis), portanto, o córtex pode ser funcionalmente mapeado.

O sinal de EEG evocado pelo pulso único ou emparelhado TMS pode facilitar a avaliação do conectividade córtico-cortical5 e o estado atual do cérebro. A corrente elétrica induzida por TMS resulta em potenciais de ação que pode ativar as sinapses. A distribuição das correntes pós-sinápticas pode ser gravada através de de EEG6. O sinal de EEG pode ser usado para quantificar e localizar sinápticas distribuições atuais através de dipolo modelagem7 ou estimativa mínima-norma8, quando o EEG multicanal é empregado e com a estrutura de condutividade da cabeça contabilizadas. TMS-EEG combinada pode ser utilizado para estudar processos inibitória cortical9, oscilações10, córtico-cortical11 e interações inter-hemisféricas12e plasticidade cortical13. Mais importante, TMS-EEG pode sondar as alterações de excitabilidade durante tarefas cognitivas ou motor com confiabilidade de teste-reteste bom14,15. Importante, TMS-EEG tem o potencial para determinar sinais neurofisiológicos que podem servir como os preditores de resposta a intervenções terapêuticas (rTMS ou efeitos farmacológicos) em projetos de teste-reteste16,17.

Os princípios de neuronavigation para TMS é baseado nos princípios de Estereotaxia sem moldura. O uso de sistemas uma óptica de rastreamento sistema18 que emprega uma câmera emissores de luz que se comunica com elementos ópticos de luz refletindo anexados para a cabeça (através de um tracker de referência) e a bobina TMS. Neuronavigation permite a localização de bobina no modelo MRI em 3D com o auxílio de uma ferramenta de referência digitalização ou caneta. O uso de neuronavigation facilita a captura da bobina orientação, localização e alinhamento para a cabeça, bem como a digitalização das posições de eletrodos de EEG. Esses recursos são essenciais para teste-reteste planejamento de experimentos e para a estimulação precisa de um local especificado no córtex pré-frontal dorsolateral.

Para utilizar um protocolo de TMS-EEG em um experimento de teste-reteste, aí precisa ser consistente estimulação da região cortical para obter sinais de confiança e direcionamento precisos. Gravação de TMS-EEG pode ser vulnerável a diferentes artefatos. O artefato TMS induzidas sobre os eletrodos de EEG pode ser filtrado com amplificadores que podem recuperar após um atraso de19,20 ou com amplificadores que não podem ser saturada21. No entanto, outros tipos de artefato gerado por movimentos oculares ou pisca, ativação muscular craniana em proximidade com os eletrodos de EEG, movimento aleatório eletrodo e sua polarização e pela bobina clique ou sensação somática deve ser levada em consideração. Preparação de assunto cuidado que garante impedâncias de eletrodo abaixo kΩ 5, imobilização da bobina sobre os eletrodos e uma espuma entre a bobina e eletrodos para reduzir a vibração (ou um espaçador para eliminar artefatos de baixa frequência22), tampões para os ouvidos e mesmo mascaramento auditivo deve ser usado para minimizar estes artefatos23. O protocolo apresentado aqui introduz um processo padrão para avaliar o funcionamento neurofisiológico quando a estimulação é aplicada sobre o pré-frontal dorsolateral (DLPFC). O foco é comuns emparelhado-pulso paradigmas que foram validadas em estudos de M19,15,16.

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Protocolo

Todos os procedimentos experimentais aqui apresentados foram aprovados pelo nosso Comitê Local de ética seguindo as diretrizes da declaração de Helsinque.

1. cabeça registro para Neuronavigated TMS — EEG

  1. Obter uma cabeça inteira de alta resolução T1-weighted MRI estrutural para cada participante. Varredura de acordo com as orientações do fabricante de neuronavigation.
  2. Carregar as imagens sobre o sistema de navegação. Verifique se o MRIs corretamente são verificados. Escolha os pontos cardeais (pontos pré-auricular, o nasion e a ponta do nariz). Inserir os alvos de estimulação (com base na anatomia ou com base em coordenadas cabeça, MNI, o Talairach coordenadas).
  3. Coloque o rastreador cabeça de tal forma para que não irá mover-se durante a sessão de estimulação e permitir a livre movente da bobina da TMS. Tenho o participante inserir os tampões antes de inicia o registro.
  4. Alinhe a cabeça do participante para o modelo 3-d de MRI. Toque na cabeça do participante com a caneta de digitalização para os pontos cardeais que foram selecionados nas imagens da pilha de MRI. Selecione e marque pontos adicionais sobre as áreas parietais, temporais e occipitais da cabeça para reduzir o erro de registro sobre essas áreas.
  5. Valide o registo. Coloque a caneta digitação na cabeça do participante. Verifique a sua representação no computador. Se não for no ponto correspondente na MR, repita a etapa 1.4.
  6. Calibre a bobina TMS em uso (em alguns sistemas, que esta etapa não é necessária).
    1. Anexe os rastreadores para a bobina.
    2. Coloque a bobina no bloco de calibração para que todos os trackers são visíveis a partir da câmera.
    3. Pressione o botão de calibração na tela do computador e manter a bobina na posição de calibração para 5 s.

2. experiência TMS-EEG

  1. Coloque a tampa de EEG e preparar os eléctrodos
    1. Escolha uma tampa que se encaixa a cabeça também. Garantir que todos os eletrodos estão firmemente tocando o couro cabeludo e são funcionais. Se mais de 2 eléctrodos não funcionar, use outra tampa do tamanho igual ou menor.
    2. Coloque o eléctrodo Cz no vértice, a meio caminho entre a linha de ligação entre o nasion e Ínion e o Iz eletrodo no Ínion.
      Nota: Coloque os eletrodos verticais (acima e sob o olho contralateral ao olho estimulação) e/ou horizontais (esquerdos do olho esquerdo e direito da direita, um pouco acima de cada osso zigomático) para eletrooculografia (EOG).
    3. Ajuste a ponta romba da seringa e encha-o com gel de electroconductive. Coloque a ponta para dentro do buraco do eletrodo e em seguida, pressione levemente o flange de êmbolo até que haja um pouco de pasta na pele. Esfregue o couro cabeludo ligeiramente usando a Cruz, como se move com a ponta romba. Certifique-se de que a pasta não está derramando por cima para evitar a ponte (curto-circuito entre os eletrodos).
  2. Coloca os eletrodos de EMG. Coloque dois eletrodos descartáveis disco (diâmetro de cerca de 30 mm) sobre o direito brevis músculo abdutor (APB) para uma montagem de tendão de barriga. Coloque no chão, de acordo com as orientações do fabricante.
  3. Inicie o registo de cabeça. Siga os passos 1.3-1.6. Use as coordenadas MNI ou Talairach do DLPFC.
  4. Hot spot e limiar motor.
    1. Adicione uma esponja (fibra artificial feita a partir de polyutherane) sob a bobina para minimizar a vibração da bobina sobre os eletrodos durante os pulsos de TMS. Observe que a espuma deve ser cerca de 10 mm de espessura.
    2. Instruir o participante a estar em paz — confortável e descontraído de mãos, pernas e coluna vertebral.
    3. Encontre o ponto quente. O botão motor24 -alvo como o marco inicial da representação cortical da APB em M1 e mover a bobina até lá é correspondente movimento APB. Use intensidades TMS, evocando os deputados de cerca de 500 µV sobre APB. Otimize a orientação de bobina, alterando seu ângulo e inclinação para evocar a maior resposta sobre o ponto de acesso.
    4. Salve a bobina posicionamento no software neuronavigator e reduzir a intensidade de saída em passos de 2 a 3%. Dê 10 pulsos e se mais do que 5 de 10 MEP respostas obtêm-se mais de 50 µV, então continuar a reduzir a intensidade.
    5. Quando menor que 5 de 10 respostas são evocadas, aumentar a intensidade em passos de 1 a 2%. MT é representado como a intensidade que produz maior do que 50 µV 5 de 10 vezes25deputados. O intervalo entre estímulo (ISI) para MT deve ter mais de 1 s, normalmente definido a s 3, 4 ou 5.
  5. Ajuste a intensidade usando as seguintes etapas:
    1. Iniciar em 120% de intensidade de MT para produzir os deputados sobre M1 de 500 para 1.500 µV. gravar 10 pulsos com saída deste estimulador para a resposta média é 1 mV. Aumentar ou diminuir a intensidade em passos de 1 a 2%, até atingir uma média de 1 mV.
    2. A intensidade de estimulação, escolher a intensidade como uma porcentagem do estimulador de saída, por exemplo., 110%, 120%, etc.
    3. Encontre o correspondente campo induzido em V/m (se o sistema permite). Coloque a bobina sobre DLPFC; ajuste a saída do estimulador até o cálculo do campo induzido torna-se igual a sobre M1 para a mesma profundidade cortical.
  6. Digitalize os eletrodos de EEG, de modo que sua posição é registrada para a anatomia do cérebro.
    Nota: Este é um passo muito importante para localizar a distribuição de ativação neuronal e reposicionável precisos dos eletrodos na sessão de acompanhamento.
  7. Recorde o TMS-EEG
    1. Substituir os tampões com os tampões com tubos de ar para se conectar ao áudio mascaramento (EG., ruído branco) se disponível e fones de ouvido, adicione por cima deles. Joga o mascaramento áudio somente durante a entrega do pulso TMS.
      Nota: Este passo pode ser aplicado a passo 2.4.2 sem jogar o áudio mascaramento e com cuidado para que os rastreadores de cabeça não são movidos.
    2. Montar a bobina no suporte da bobina e certifique-se que a bobina não mover ou pressione os eletrodos sob ele. Certifique-se de que a esponja está entre os eléctrodos e a bobina.
    3. Remova todas as telas ativas fora do alcance do participante. Dar instruções ao participante a olhar em um ponto fixo, para não alterar a sua posição de cabeça durante a entrega do TMS e para não piscar entre os pulsos de TMS.
    4. Desligue as luzes fluorescentes. Executar único pulso TMS, JCL, ICF e Supersaturado em uma ordem aleatória para cada participante. Dê 100 pulsos único e emparelhados. Usar vários ISI de 3 – 4 s (± 20%) ou uma constante de 3 – 5 s (ver nota). Dê uma pausa de 3 – 5 min entre cada condição para que o participante possa relaxar e esticar.
      Nota: JCL e ICF envolvem um paradigma TMS de pulso pareado com um estímulo condicionado abaixo do limite (CS) e um estímulo de teste suprathreshold (TS). O CS usado neste protocolo é de 80% de MT e os TS na intensidade evocando um 1 mV MEP pico-a-pico26. O intervalo de pulso inter usado para JCL ideal é em 2 ms e para ICF às 12 – 1327. O paradigma Supersaturado envolve o emparelhamento de um CS supralimiar na intensidade evocando a 1 mV MEP pico-a-pico seguida por outro suprathreshold TS novamente usando a intensidade que evocava uma 1 mV MEP pico-a-pico e em um intervalo de pulso Inter de 100 ms. ISI para ambos os paradigmas de pulso único e emparelhados é determinado pelo tempo de carregamento do estimulador (nosso sistema pode permitir pulsos pareados cada 4 s), a quantidade de sessões (mais experimentos exigiria ISI menor para não sobrecarregar os participantes) e a análise que é vai para ter lugar. Neste estudo, nós usamos um ISI constante de 5 s devido a restrições do nosso estimulador e também porque iríamos precisam de vários ciclos de baixa frequência banda (ritmo theta) para a análise de espectro de frequência de tempo e energia.

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Resultados

Figura 1 A ilustra os potenciais de TMSevoked após a estimulação de DLPFC sobre o elétrodo F3 após uma média de 100 épocas de cada sessão para um voluntário saudável. Nesta ilustração, destaca-se o efeito do CS no TS em comparação com a condição de pulso único quando TS é aplicado em paz. O CS modula a deflexão N100 de forma clara, mesmo em um assunto. Nas sessões JCL e Supersaturado, N100 geralmente é maior e no ICF diminuições em valores ab...

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Discussão

TMS-EEG permite que a estimulação direta e não invasiva da maioria das áreas corticais e a aquisição da atividade neuronal resultante com muito boa resolução espaço-temporal de30, especialmente quando neuronavigation é utilizado. O benefício deste avanço metodológico é baseado no fato de que sinais EEG TMS-evocada originam-se da atividade elétrica neural e é um índice de excitabilidade córtico-cortical. Isso tem enorme potencial em populações de pacientes neuropsiquiátricas onde TMS-EEG pode ser u...

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Divulgações

Pantelis Lioumis tem sido um consultor pago para Nexstim Plc. (Helsinki, Finlândia) fora o trabalho submetido (i. e., para o motor e aplicações de rTMS de mapeamento de discurso antes de 2017). Reza Zomorrodi é um membro do Conselho Consultivo da Vielight Inc (Toronto, Canadá). Zafiris J. Daskalakis recebe apoio à pesquisa de institutos canadenses de pesquisa em saúde (CIHR), National Institutes of Health - nos (NIH), Instituto do cérebro de Weston, Canadá do cérebro e da família de Temerty através da Fundação CAMH e a pesquisa de Campbell Instituto. Ele recebeu apoio de pesquisa e suporte de equipamentos em espécie, para um estudo iniciado pelo investigador da Brainsway Ltd. e ele é o investigador principal local para três estudos iniciada pelo patrocinador para Brainsway Ltd. Recebeu o apoio de equipamento em espécie de Magventure para este estudo iniciado pelo investigador. Daniel M. Blumberger recebe apoio de pesquisa de institutos canadenses de pesquisa em saúde (CIHR), National Institutes of Health - nos (NIH), Instituto do cérebro de Weston, Canadá do cérebro e da família de Temerty através da Fundação CAMH e a pesquisa de Campbell Instituto. Ele recebeu apoio de pesquisa e suporte de equipamentos em espécie, para um estudo iniciado pelo investigador da Brainsway Ltd. e ele é o investigador principal local para três estudos iniciada pelo patrocinador para Brainsway Ltd. Recebeu o apoio de equipamento em espécie de Magventure para este estudo iniciado pelo investigador. Ele recebeu medicação suprimentos para um julgamento iniciado pelo investigador do Indivior. Ele tem participado de um Conselho Consultivo para Janssen.

Agradecimentos

Este trabalho foi financiado em parte pelo NIMH R01 MH112815. Este trabalho também foi apoiado pelo Temerty Family Foundation, Fundação da família Grant e Campbell família Mental Saúde Instituto de pesquisa do centro para vício e Saúde Mental.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
CED Micro1401-3Cambridge Electronic Design LimitedCED Micro1401-3Carregador de Dados Digitais
BISTIM'2 Pacote Opção 1Magstim3234-00TMS estimulador de pulso emparelhado
Magstim 200'2 Unidade (2 itens)Estimuladores Magstim3010-00TMS
Controlador de interface do usuárioMagstim3020-00Controlador TMS
BISTIM'2 Controlador UIMagstim3021-00Controlador TMS
Módulo de conexão BISTIMMagstim3330-00Módulo de conexão TMS
D70 Alpha Coil - P/N 4150-00 (Alpha 70 mm bobina dupla)Magstim4150-00Bobina TMS
BrainsightRogue-ResolutionsBrainsight 2Neuronavigator
Modelo 2024FIntronix2024FEletromiógrafo
Neuroscan SynAmps RT 64 canais SistemaCompumedics Neuroscan9032-0010-01Eletroencefalógrafo
Quick-Cap sistema de eletrodos 64Compumedics Neuroscan96050255EEG Cap

Referências

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