A Multimodal Imaging- e baseada Estimulação método de avaliação de conectividade relacionadas com o cérebro Excitabilidade em doentes com epilepsia
13 de novembro de 2016
A ressonância magnética de conectividade funcional em estado de repouso identificou anormalidades em pacientes com uma ampla gama de distúrbios neuropsiquiátricos, incluindo epilepsia devido a malformações do desenvolvimento cortical. A estimulação magnética transcraniana em combinação com EEG pode demonstrar que pacientes com epilepsia apresentam hiperexcitabilidade cortical em regiões com conectividade anormal.
O objetivo geral deste experimento é avaliar a hiperexcitabilidade cortical regional em pacientes com epilepsia usando conectividade funcional em estado de repouso, estimulação magnética transcraniana guiada por ressonância magnética em combinação com gravação simultânea de EEG. Este método pode ajudar a responder a questões-chave no campo da epilepsia e neurofisiologia, como se os pacientes com epilepsia têm evidências de hiperexcitabilidade em regiões que se acredita fazerem parte da rede epileptogênica. A principal vantagem dessa técnica é que ela pode ser usada para avaliar diferenças na excitabilidade cerebral em função da conectividade e pode ser usada para avaliar a reatividade cortical em uma variedade de regiões cerebrais diferentes.
Essa técnica tem implicações para o diagnóstico e tratamento da epilepsia, pois a hiperexcitabilidade cortical pode ser identificada mesmo quando o EEG de rotina é normal e os circuitos epileptogênicos podem ser direcionados terapeuticamente. Demonstrando o procedimento estará Tamara Gedankian, assistente de pesquisa em meu laboratório. Antes do teste, determine as duas regiões de destino do TMS sobrepondo o mapa de conectividade funcional de cada sujeito à imagem estrutural de cada sujeito.
Para iniciar a sessão experimental, traga o sujeito para a sala de testes e faça-o sentar na cadeira. Meça a cabeça do sujeito e selecione uma tampa de eletroencefalografia, ou EEG, de tamanho apropriado para permitir baixas impedâncias de eletrodo. Em seguida, limpe completamente a pele sob cada eletrodo usando um aplicador de ponta de algodão e álcool.
Adicione gel condutor a cada eletrodo e pressione o eletrodo para garantir um bom contato entre o couro cabeludo, o gel e o eletrodo. Para minimizar os artefatos de carregamento, certifique-se de que o gel não se espalhe para fora do suporte do eletrodo. Coloque os eletrodos de referência e terra na testa e o mais longe possível da bobina de estimulação, para minimizar a possibilidade de um artefato de eletrodo induzido por TMS contaminar toda a gravação.
Coloque esses eletrodos a poucos centímetros um do outro para minimizar o ruído do modo comum. Em seguida, pressione o botão de medição de impedâncias no sistema EEG. Verifique as impedâncias do eletrodo conectando os cabos de saída do EEG no conector de impedância do sistema de gravação do EEG.
Certifique-se de que a impedância do eletrodo não seja superior a cinco quilômetros. Em seguida, prepare os eletrodos de eletromiografia na mão contralateral. Dê tampões de ouvido ao sujeito para minimizar o risco de perda auditiva e zumbido.
Em seguida, coloque os detectores infravermelhos na cabeça do sujeito, garantindo que os detectores sejam colocados de forma a minimizar o risco de movimento durante a sessão experimental. Registre a cabeça do sujeito com as imagens de ressonância magnética, identificando a localização dos marcadores fiduciais anatômicos externos pré-selecionados no sujeito usando o ponteiro que acompanha o equipamento de neuronavegação. Familiarize o sujeito com a estimulação aplicando um pulso em outro lugar ou aplicando um pulso de estimulação de baixa intensidade no couro cabeludo.
Determine o limiar motor em repouso localizando o córtex motor do sujeito no hemisfério ipsilateral aos alvos da base de conectividade funcional. Incline a bobina perpendicularmente ao giro com a alça apontando occipitalmente e inicie a estimulação em uma intensidade que se espera que seja abaixo do limiar. Em seguida, aumente a intensidade da estimulação em etapas de saída máxima do estimulador de 5% até que a EMT evoque consistentemente potenciais evocados motores com amplitudes superiores a 50 microvolts em cada tentativa.
Diminua a intensidade da estimulação em etapas de 1% da saída máxima do estimulador até que menos de cinco respostas positivas em 10 sejam registradas. Por fim, defina a intensidade do TMS para o valor desejado. Aplique pulsos únicos de TMS em cada uma das regiões-alvo usando o software de neuronavegação, com intervalos variáveis entre os pulsos para minimizar a plasticidade cortical e os efeitos de expectativa do sujeito.
Comece realizando uma rodada inicial de uma Análise de Componentes Independentes, ou ICA, e remova um ou dois componentes que representam a grande ativação muscular inicial induzida por TMS. Para fazer isso, execute o ICA usando o método ICA rápido com a abordagem simétrica e a função de contraste 10, usando o comando mostrado aqui. Identifique componentes consistentes com o artefato TMS selecionando Ferramentas, Rejeitar dados usando ICA e remover componentes por mapa, que plotará mapas topográficos de todos os componentes ICA.
Em seguida, clique no número de cada componente para plotar os detalhes do componente. Em seguida, exclua os componentes artefactuais selecionando Ferramentas, Remover componentes e inserindo os números de componentes relevantes no campo Componente(s) a serem removidos dos dados. Na caixa de confirmação exibida, pressione Plotar ERPs para revisar os potenciais relacionados a eventos, ou ERPs, que resultam da exclusão dos componentes selecionados.
Para revisar os efeitos de uma única avaliação, pressione Plotar tentativas únicas. Depois de revisar o ERP, como em testes individuais, pressione o botão Aceitar para excluir os componentes selecionados. Execute uma segunda rodada de ICA e remova os componentes correspondentes a artefatos de decaimento, piscadas, ruído muscular e eletrodo.
Para fazer isso, execute o ICA usando o método rápido do ICA com a abordagem simétrica e a função de contraste bronzeado, assim como feito para a primeira rodada do ICA. Da mesma forma, avalie as propriedades dos componentes da mesma forma que foi feito com o mapa topográfico na primeira rodada do ICA. Em seguida, marque os componentes consistentes com artefatos residuais de decaimento da EMT, artefatos de piscar e artefatos musculares.
Além disso, marque os componentes consistentes com o ruído do canal com base na distribuição espacial e temporal. Por fim, remova os componentes marcados, assim como feito na primeira rodada do ICA, selecionando Ferramentas, Remover componentes e inserindo os números de componentes relevantes no campo Componente(s) a serem removidos dos dados. A ressonância magnética de conectividade funcional em estado de repouso é usada para identificar regiões na superfície cortical com conectividade com as regiões de heterotopia.
A EMT para essas regiões produz atividade atrasada anormalmente aumentada em relação às regiões que não têm conectividade anormal e em relação às mesmas visões em controles saudáveis. Aqui, a localização da fonte dos picos tardios anormais nos potenciais evocados por EMT em pacientes com epilepsia pode identificar regiões cerebrais das quais surge a atividade anormal. Pode co-localizar espacialmente com o foco convulsivo do paciente.
Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como usar a conectividade funcional em estado de repouso, guiada por ressonância magnética, EEG TMS para avaliar a excitabilidade cerebral em diferentes regiões em pacientes com epilepsia e outros distúrbios neuropsiquiátricos. Após esse procedimento, outros métodos, como TMS repetitivo, podem ser realizados para determinar se a diminuição da excitabilidade cortical em regiões cerebrais que fazem parte da rede patogênica pode modificar a atividade da doença.
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Visão Geral
Este estudo avalia a hiperexcitabilidade cortical regional em pacientes com epilepsia usando conectividade funcional em estado de repouso e estimulação magnética transcraniana guiada por RM (TMS) combinada com EEG. A abordagem visa identificar a hiperexcitabilidade em áreas do cérebro associadas à rede epileptogênica.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Neurociência
- Neurofisiologia
- Pesquisa em epilepsia
Fundo
- A RM de conectividade funcional em estado de repouso revela anormalidades em transtornos neuropsiquiátricos.
- Pacientes com epilepsia frequentemente exibem hiperexcitabilidade cortical.
- A Estimulação Magnética Transcraniana pode avaliar a reatividade cortical.
- Identificar a hiperexcitabilidade pode melhorar estratégias de diagnóstico e tratamento.
Objetivo do Estudo
- Avaliar a hiperexcitabilidade cortical em pacientes com epilepsia.
- Determinar se a hiperexcitabilidade se correlaciona com conectividade anormal.
- Explorar implicações para o direcionamento terapêutico de circuitos epileptogênicos.
Métodos Utilizados
- Análise de conectividade funcional em estado de repouso.
- Estimulação magnética transcraniana guiada por RM.
- Registro simultâneo de EEG.
- Supôrposição de mapas de conectividade funcional em imagens estruturais.
Principais Resultados
- Evidência de hiperexcitabilidade cortical em regiões cerebrais específicas.
- Identificação de diferenças na excitabilidade cerebral baseada na conectividade.
- Potencial para o direcionamento terapêutico de circuitos epileptogênicos.
- As descobertas podem melhorar a compreensão dos mecanismos da epilepsia.
Conclusões
- A hiperexcitabilidade cortical pode ser detectada mesmo com EEG de rotina normal.
- Este método fornece insights sobre a rede epileptogênica.
- Os resultados apoiam o uso de TMS e EEG no diagnóstico e tratamento da epilepsia.
Perguntas Frequentes
Executive Industry Relevance
This multimodal imaging and stimulation method enables biopharma R&D to assess cortical hyperexcitability in epilepsy models, supporting target validation by linking functional connectivity abnormalities to electrophysiological phenotypes. It provides a mechanistic de-risking tool for evaluating circuit-level excitability changes in preclinical and translational studies, particularly for neuropsychiatric indications where network hyperexcitability is a putative driver of disease. The approach enhances predictive confidence in target selection by demonstrating causal relevance of connectivity alterations to pathophysiological states.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses by testing whether regions with abnormal resting-state connectivity exhibit causal hyperexcitability via TMS-EEG perturbation.
- Operational Value: Enables biological de-risking of targets by establishing whether connectivity changes correlate with measurable electrophysiological dysfunction in disease-relevant systems.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems with quantified TMS-evoked EEG responses as a standardized assay for screening compounds that modulate cortical excitability.
- Operational Value: Supports assay reproducibility through MRI-guided targeting and ICA-based artifact removal, enabling reliable longitudinal or cross-condition comparisons.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrates disease relevance by showing that abnormal TMS-evoked activity co-localizes with seizure-onset zones, supporting continuity from connectivity biomarkers to pathophysiological circuits.
- Operational Value: Facilitates risk-adjusted advancement decisions by providing a translatable readout of circuit hyperexcitability that can be monitored across discovery to preclinical stages.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum by first identifying aberrant networks via rs-fcMRI, then probing their causal excitability using TMS-EEG, and finally validating target engagement through normalization of abnormal late components in evoked potentials.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by determining whether functionally connected regions exhibit pathogenic hyperexcitability, clarifying network-level mechanisms in epilepsy models.
- Screening: Enables assay readiness through standardized TMS pulse application and ERP quantification, allowing assessment of compound effects on cortical reactivity.
- Analytics: Generates quantitative dependent variable measurements (e.g., latency and amplitude of late TMS-evoked potential components) that enable statistical comparison between disease and control states.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by demonstrating spatial colocalization of abnormal TMS-evoked activity with epileptogenic zones, supporting biomarker-aligned target validation.
- Enterprise Reuse: Represents a reusable platform for probing circuit excitability across neuropsychiatric indications, not limited to single-use experimental validation.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Provides predictive confidence in target validation by linking connectivity abnormalities to causal electrophysiological phenotypes, reducing mechanistic ambiguity in neuropsychiatric target selection.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility through neuronavigation-guided TMS, fixed inter-pulse intervals, and multi-stage ICA artifact correction.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by enabling early detection of circuit hyperexcitability, even when routine EEG is normal, thereby reducing late-stage biological risk in CNS programs.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by identifying targets whose modulation normalizes pathological excitability, informing capital allocation toward mechanistically de-risked candidates.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neurophysiology, TMS safety protocols, EEG acquisition, and multimodal image coregistration.
- Depends on neuronavigation systems, TMS coils compatible with simultaneous EEG, and high-density EEG caps to minimize artifacts.
- Necessitates cross-team standardization between imaging, stimulation, and electrophysiology teams to ensure consistent target selection and data interpretation.
- Involves adaptation considerations when applying to different model systems, as head size, coil positioning, and ICA parameters may require optimization across species or strain.
- Includes practical limitations such as susceptibility to movement artifacts, inter-individual variability in skull conductivity, and the need for careful subject screening to exclude contraindications to TMS.
