Cérebro estado-estimulação cerebral dependente com Eletroencefalografia em tempo real-desencadeada estimulação magnética transcraniana

O método combina EEG e TMS para estimulação cerebral dependente do estado cerebral em tempo real. Isso permite que as parcelas TMS sejam sincronizadas com uma fase específica de oscilações cerebrais endógenas em curso. A estimulação cerebral é uma técnica para modular o cérebro sincronizando pulsos TMS individuais com um estado cerebral definido por EEG específico.

O efeito da estimulação pode ser otimizado. O TMS padrão já é usado para tratar doenças neurológicas e psiquiátricas, como derrame e depressão. O TMS sincronizado pelo EEG tem o potencial de melhorar os resultados do tratamento usando protocolos de estimulação personalizados.

Também usamos TMS sincronizado pelo EEG para investigar a neurofisiologia básica das oscilações cerebrais no ser humano, comparando os efeitos que os estímulos têm que são idênticos, mas são aplicados em diferentes estados cerebrais. Os efeitos podem ser sutis e são facilmente lavados por outras fontes de variabilidade experimental. Descobrimos que a baixa intensidade de estímulo funciona melhor para observar o efeito do ritmo motor sensorial na excitabilidade cortical da coluna vertebral.

Para conduzir um experimento de loop fechado, a atividade cerebral é registrada através de potenciais EEG da superfície do couro cabeludo que são digitalizados por um amplificador EEG. O sinal então passa para a unidade principal do EEG e de lá para o dispositivo em tempo real que controla o estimulador, fechando assim o laço de sinal entre a medição e a modulação da atividade cerebral. O dispositivo em tempo real analisa as oscilações do EEG e envia um sinal de gatilho para o estimulador TMS quando uma condição de gatilho predeterminada é atendida para passar um pulso de corrente breve através da bobina TMS que é colocada na cabeça.

Durante o experimento, a posição da bobina na cabeça será monitorada com um dispositivo de neuro-navegação. Conecte a saída em tempo real do sistema EEG à entrada do dispositivo em tempo real e conecte a saída do dispositivo em tempo real à entrada do gatilho do estimulador TMS. Registre o participante do estudo no sistema, certificando-se de que o protocolo corresponda ao layout da tampa EEG e que os canais relevantes sejam enviados para a saída em tempo real.

No computador que controla o dispositivo em tempo real, carregue o software para controlar o dispositivo em tempo real e garantir que os canais de entrada em tempo real correspondam à configuração do sistema EEG. Em seguida, ligue o estimulador TMS e defina a configuração para acionamento externo. Para monitorar a posição da bobina e para obter um direcionamento de TMS preciso e consistente dentro e entre as sessões, carregue os dados de ressonância magnética estrutural individuais no software do sistema de navegação antes de iniciar o experimento para cada participante.

Em seguida, conecte um rastreador de bobina à bobina de estimulação e calibrar a bobina. Quando o sistema estiver pronto, coloque uma tampa de EEG de tamanho adequado na cabeça do participante do estudo e use fita de medição para posicionar a tampa corretamente. Empurre o cabelo de lado para que o couro cabeludo fique visível e prepare o couro cabeludo com uma aplicação de gel abrasivo.

Em seguida, aplique gel condutor aos eletrodos e verifique se as impedâncias eletrodos EEG estão abaixo de cinco quiloohms. Cubra a tampa EEG com plástico e coloque uma tampa de malha acima do plástico para manter os cabos em posição fixa para reduzir a variabilidade do artefato EEG. Em seguida, aplique fita adesiva para aumentar a estabilidade das múltiplas camadas e tape um rastreador de cabeça reflexivo na cabeça do sujeito para garantir a estabilidade durante todo o experimento.

Conecte os eletrodos EMG da superfície aos músculos alvo limpos e abrasados e inspecione visualmente os sinais EEG e EMG em curso para eletrodos ruins. Mantenha os cabos EMG bipolares próximos e próximos ao corpo do participante do estudo para reduzir a captação de ruído da linha. Em seguida, use a ferramenta de ponteiro para co-registrar o modelo principal com os marcos anatômicos relevantes e identificar os locais dos sensores EEG para permitir a estimativa subsequente das fontes individuais da atividade EEG.

Para realizar um experimento TMS sincronizado pelo EEG em tempo real, determine primeiro o local exato onde o TMS do córtex motor evoca a resposta motora mais forte dos músculos da mão. Em seguida, marque este hotspot e posição de bobina no software de neuro-navegação. Em seguida, conserte a cabeça do sujeito com um travesseiro de vácuo e fixe a bobina no local do hotspot com um braço mecânico.

Para determinar a intensidade de estimulação limiar ajuste gradualmente a intensidade de estimulação até que 50% dos pulsos TMS resultem em uma resposta motora. Aqui a intensidade foi definida para 110% da intensidade limiar. Para configurar o sistema em tempo real para combinar vários canais de EEG para extrair uma oscilação específica, use um filtro espaçacial laplaciano de cinco canais centrado no eletrodo C3 para extrair o ritmo motor sensorial.

Para acionar o TMS no pico positivo ou negativo desta oscilação, ajuste a condição do gatilho de fase para a fase zero ou fase pi aleatoriamente para cada ensaio antes de armar o dispositivo em tempo real e definir a sequência a ser repetida em um loop a cada dois segundos. Em seguida, execute o experimento por cerca de 10 minutos para adquirir um número suficiente de ensaios para diferenciar efeitos de estimulação específicos de fase. Durante o experimento, a posição da bobina será monitorada no sistema de neuro-navegação e os sinais EEG e EMG serão monitorados no sistema EEG.

Os dados brutos, bem como o EEG pré-estímulo e a resposta muscular pós-estímulo para cada condição também são exibidos no sistema EEG. O dispositivo em tempo real realizará filtragem espacial para atingir a região de interesse do cérebro e filtragem de passe de banda para isolar a oscilação do interesse, estimando a amplitude e a fase instantâneas usando a previsão de avanço autoregressiva e a transformação de Hilbert. Este sinal é então comparado com a condição do gatilho.

Se o limiar de energia e as condições de fase forem atingidas, o estimulador será acionado. Usando as médias de execução on-line exibidas, a precisão do direcionamento da fase e o efeito da fase na resposta muscular podem ser estimados durante o experimento. Nestes números, um sinal médio de EEG pré-estímulo nos 400 milissegundos antes do pulso TMS para três condições predefinidas e potenciais médios provocados do motor evocado registrados a partir dos músculos da mão direita são mostrados.

Juntos, esses resultados demonstram que a deflexão negativa do EEG do microtraído corresponde a um estado de excitabilidade cortical mais elevado levando a amplitudes potenciais potenciais evocadas por motores maiores em comparação com a deflexão positiva do EEG com uma baixa variabilidade inter-experimental dos efeitos de excitabilidade corticospinal. Precisamos de um sinal EEG estável e limpo. A chave é um participante de estudo bem preparado que está relaxado, confortável e capaz de ficar parado.

Este é um método fácil de usar plug and play para investigar se estados de conectividade cortical em larga escala têm efeitos causais em experimentos baseados em perturbação. Olhando para uma oscilação localizada, esse é apenas o primeiro passo. Temos sido capazes de usar descobertas a partir desta técnica para mostrar que tms repetitivos têm um pico negativo dos resultados de oscilações motoras sensoriais em curso e potencialização de longo prazo como plasticidade.

TMS é um procedimento seguro e indolor. Um efeito colateral muito raro é uma convulsão epiléptica em pessoas vulneráveis e ocasionalmente uma leve dor de cabeça temporária pode ocorrer.