Оценка гипервозбудимости головного мозга с помощью транскраниальной магнитной стимуляции и электроэнцефалографии

Аннотация

Источник: Shafi, M. M., et al. Метод оценки возбудимости мозга, связанной с связями, у пациентов с эпилепсией, основанный на мультимодальной визуализации и стимуляции. J. Vis. Exp. (2016)

В видеоролике показана методика применения транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) и электроэнцефалографии (ЭЭГ) для оценки возбудимости нейронов у пациентов с эпилепсией. В нем подробно описаны шаги по выравниванию головы пациента с помощью предварительно записанного сканирования мозга, позиционированию катушки ТМС над функционально связанной кортикальной мишенью и применению стимуляции для активации нейронных цепей. Процесс включает в себя отслеживание двигательных реакций, запись сигналов ЭЭГ и сравнение активности мозга с активностью здоровых людей для выявления гипервозбудимости и локализации зоны начала припадка.

Протокол

Все процедуры с участием людей были выполнены в соответствии с институциональными, национальными и международными руководящими принципами по благополучию человека и были рассмотрены местным институциональным наблюдательным советом.

1. Выбор субъекта

1. Отбор пациента для протокола исследования.
   1. Выявление пациентов с активной эпилепсией (приступы в течение последнего года) или отдаленной эпилепсией в анамнезе (предыдущие приступы, но без приступов в течение последних пяти лет на фоне или без приема лекарств) и перивентрикулярной узловой гетеротопией на структурной визуализации головного мозга.
   2. Исключите пациентов без судорог в анамнезе. Кроме того, следует исключить пациентов с альтернативной возможной этиологией судорог (например, черепно-мозговая травма в анамнезе, инсульт, менингоэнцефалит) или с результатами ЭЭГ, соответствующими альтернативному диагнозу (например, идиопатическая генерализованная эпилепсия, мезиальная височная эпилепсия).
   3. Исключите пациентов с дополнительным неврологическим или психическим заболеванием, или с любым другим нестабильным заболеванием. Кроме того, исключите пациентов с историей предыдущих операций на головном мозге, непереносимостью магнитно-резонансной томографии (МРТ), недавним употреблением запрещенных веществ или алкоголя, а также специфическими противопоказаниями к МРТ или ТМС.
2. Здоровый контрольный выбор субъекта.
   1. Для каждого пациента с перивентрикулярной узловой гетеротопией (ПНГ) (в нашем ранее опубликованном исследовании 8 пациентов в возрасте от 20 до 43 лет в среднем 30,25; 3 мужчины, 5 женщин) определите здоровый контроль, соответствующий возрасту и полу
   .
   2. Исключите пациентов с каким-либо текущим неврологическим или психическим заболеванием или принимающих психоактивные препараты, любым другим нестабильным заболеванием, историей предыдущих операций на головном мозге, непереносимостью МРТ, употреблением запрещенных веществ или алкоголя, а также любыми другими специфическими противопоказаниями к МРТ или ТМС.

2. Создание мишеней для стимуляции

1. С помощью системы 3T MRI получите структурные срезы всего мозга с высоким разрешением, используя Т1-взвешенную последовательность. Используйте следующие параметры сбора данных: 128 срезов на плиту, матрица 256 x 256, поле зрения (FOV) 256 мм, толщина среза 1,33 мм с межсрезовым зазором 0,63 мм, размер вокселя 1 x 1 x 1,33 мм³, время повторения (TR) 2 530 мс, время инверсии 1 100 мс, время эхо-сигнала (TE) 3,39 мс, угол поворота 7°.
2. Используя систему 3T MRI, получите функциональные изображения в состоянии покоя с помощью эхопланарной последовательности, чувствительной к контрасту, зависящему от уровня оксигенации крови (BOLD). Во время выполнения этого сканирования попросите пациента спокойно отдохнуть с открытыми глазами, не выполняя никаких конкретных задач. Используйте следующие параметры сбора данных: поле зрения 256 мм, размер вокселя 2,0 x 2,0 x 2,0 мм, TR 6 000 мс, TE 30 мс, угол поворота 90°, время сбора данных 6,4 мин.
3. Используя программное обеспечение MRICroN, определите каждую дискретную область узловой гетеротопии (либо каждый отдельный узел, либо неразделимый непрерывный кластер узелков). С помощью инструмента «Перо» можно вручную очертить области интереса гетеротопии (ROI), срез за срезом в осевой плоскости на структурных изображениях, взвешенных по T1.
4. Используйте программный набор CONN для функционального подключения для выполнения четырех последовательных шагов обработки функциональных данных в состоянии покоя: настройка, предварительная обработка, анализ и результаты.
   1. Для настройки используйте пункты меню, чтобы начать новый проект и ввести основную информацию об эксперименте. Загрузите функциональные изображения, выровненные и совпадающие с анатомическими изображениями для каждого объекта.
   2. Загрузите структурные изображения. Загрузите файлы ROI гетеротопии, созданные на шаге 2.3. Введите детали экспериментального условия; Поскольку это состояние покоя, введите одно условие с началом 0 секунд и продолжительностью, равной полной продолжительности каждого сеанса. Набор инструментов извлечет временные ряды Heterotopia ROI BOLD. Осмотрите на предмет возможных несоответствий.
   3. Для предварительной обработки искажающие источники вариаций BOLD включают индуцированные дыханием модуляции основного магнитного поля и сердечные пульсации, а также движение объекта. Устраняйте искажающие факторы с помощью интегрированного метода, основанного на главных компонентах, который анализирует данные временных рядов из областей, которые вряд ли могут быть связаны с нейронной активностью, таких как желудочки и крупные сосуды, для выявления физиологических шумовых процессов. Просмотрите общую дисперсию, объясняемую каждым из возможных искажающих источников. Примените полосовой частотный фильтр (0,01 Гц < f < 0,1 Гц) и гауссово сглаживание (6 мм полной ширины при полумаксимуме).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Набор инструментов по умолчанию идентифицирует источники возможных искажающих факторов, включая сигнал BOLD от белого вещества и спинномозговой жидкости, а также параметры перестройки (движение объекта).
   4. Для анализа и результатов определите источники интереса в качестве окупаемости инвестиций в гетеротопию. Просмотрите меру связности корреляции (а не регрессию) и отобразите с использованием пороговых значений для коэффициентов корреляции.
      1. Для каждого субъекта создайте карты связности от затравки к вокселю, используя каждую дискретную область гетеротопического серого вещества в качестве начального ROI, демонстрируя корреляцию между средним временным рядом сигнала BOLD ROI и каждым другим вокселом мозга.
      2. Выполнение анализа второго уровня для контрастов между объектами или между источниками (необязательно). Отображение результатов с использованием пороговых значений высоты (уровень вокселов) и экстента (уровень кластера); Отображаются нескорректированные и скорректированные по частоте ложных обнаружений p-значения.
5. Используйте программное обеспечение MRICroN для ручного выделения двух интересующих целей, подключенной цели и неподключенной цели для TMS, с помощью инструмента «Перо». С помощью функции «Наложение» наложите созданные выше карты функциональной связности на структурные изображения для каждого объекта.
   1. Убедитесь, что целевая область является областью коры головного мозга, которая имеет значительную функциональную связь с гетеротопией серого вещества, как описано выше. Убедитесь, что неподключенная мишень представляет собой область аналогичного размера, которая не демонстрирует значительной функциональной связи с какой-либо гетеротопией ROI и расположена на расстоянии не менее 2,5 см от подключенной мишени на поверхности коры головного мозга, чтобы свести к минимуму риск эффектов стимуляции соседства во время ТМС.
   2. Выбирайте мишени таким образом, чтобы вероятность появления больших артефактов, вызванных ТМС, была мала. В частности, избегайте выбора мишеней в латеральной височной или лобнополярной областях, так как они могут вызывать большие мышечные сокращения и/или артефакты движения глаз, которые могут заслонить ранний сигнал ТМС-ЭЭГ. Сохраните намеченные цели в качестве новых целевых ROI.
6. Определите координаты MNI (Монреальский неврологический институт) для каждого целевого ROI по каждому предмету. Затем используйте эти координаты для идентификации эквивалентных двух целевых участков в совпадающем здоровом контрольном субъекте каждого субъекта.

3. TMS-EEG Experimental Setup

1. Загрузите структурные сканы (как правило, Т1-взвешенные объемные изображения с высоким разрешением) в нейронавигационную систему.
2. С помощью программного обеспечения для нейронавигации отметьте на изображениях желаемые цели. Также отметьте внешние анатомические маркеры (назион, двусторонний козелок), которые будут использоваться для корегистрации и нейронавигации во время сеанса стимуляции. При использовании колпачка ЭЭГ с вращающимися электродами и электродными проводами расположите провода перпендикулярно длинной оси катушки ТМС52.
3. Свяжитесь с субъектом до начала экспериментального сеанса, чтобы напомнить ему или ей не использовать кондиционеры или другие средства для волос (шампунь допустим) в день сеанса ТМС-ЭЭГ, избегать алкогольных напитков вечером накануне сеанса ТМС-ЭЭГ и употреблять обычное ежедневное потребление кофеина перед сеансом ТМС.

4. Экспериментальная сессия

1. Подтвердите, что субъект соответствует критериям безопасности ТМС, в идеале с помощью структурированного опросника. Подтвердите, что субъект не употреблял алкогольные напитки предыдущей ночью, не пил значительно больше или меньше своего обычного ежедневного потребления кофеина, не употреблял безрецептурные снотворные, которые изменяют возбудимость коры головного мозга (например, димедрол) предыдущей ночью, и получал обычный ночной сон (поскольку лишение сна может увеличить возбудимость коры головного мозга).
2. Попросите испытуемого сесть в удобное кресло.
3. Наденьте на объект ЭЭГ-колпачок и подготовьте электроды.
   1. Измерьте голову субъекта и выберите ЭЭГ-колпачок подходящего размера, чтобы обеспечить низкий импеданс электродов.
   2. Тщательно очистите кожу под каждым электродом с помощью ватного аппликатора и спирта.
   3. Добавьте проводящий гель в каждый электрод. Не добавляйте слишком много геля, чтобы он не просочился между электродами, так как это может создать мост и привести к общему сигналу между разными электродами.
   4. При необходимости, чтобы обеспечить хороший контакт между кожей головы, гелем и электродом, попробуйте нажать на каждый электрод после добавления геля. Чтобы свести к минимуму артефакты заряда, следите за тем, чтобы гель не растекался за пределы держателя электродов. Равномерно снижен уровень проводимости для минимизации артефактов записи.
   5. Размещайте электроды сравнения и заземления как можно дальше от катушки стимуляции, чтобы свести к минимуму возможность загрязнения всей записи артефактом электрода, вызванным ТМС. Предпочтительно размещать эти электроды над костными структурами, в предположительно «неактивных» зонах с минимальной кортикальной активностью.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Даже в исследованиях, для которых целевые места варьируются, лобные области вряд ли будут выбраны в качестве мишеней, потому что ТМС в этих областях может привести к большим движениям глаз, сокращению лобных и лицевых мышц. и, зачастую, боль в коже головы и головная боль; следовательно, сигнал ТМС-ЭЭГ во время стимуляции этих областей часто затемняется большими артефактами.
   6. Поскольку эти области вряд ли будут выбраны в качестве мишеней для стимуляции, используйте лоб для размещения электродов сравнения и заземления. Расположите их на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга, чтобы свести к минимуму синфазный шум.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В ситуациях, когда все цели стимуляции находятся в одном полушарии, контралатеральный сосцевидный отросток может быть еще одним вариантом.
   7. Проверьте импедансы электродов следующим образом: подключите выходные кабели ЭЭГ к разъему «импеданс» системы записи ЭЭГ, затем нажмите кнопку «измерить импеданс» на системе ЭЭГ. Убедитесь, что импеданс электрода не превышает 5 кОм.
4. Подготовьте электроды ЭМГ на контралатеральной руке (используйте первую тыльную межкостную или отводящую мышцу pollicis brevis; используйте одну и ту же мышцу у всех субъектов в одном исследовании).
5. Дайте испытуемому беруши, чтобы свести к минимуму риск потери слуха и шума в ушах.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Другим вариантом может быть использование наушников, воспроизводящих белый шум или цветной шум (со спектральными особенностями, соответствующими тому, что происходит при нажатии ТМС) на протяжении всего процесса записи, с громкостью, достаточной для маскировки слухового щелчка, производимого ТМС; это будет иметь дополнительное преимущество, заключающееся в минимизации потенциального смешения слуховых вызванных потенциалов, вызванных ТМС. Следует отметить, что тонкий слой пены между спиралью и кожей головы также необходим для минимизации слухового потенциала.
6. Поместите инфракрасные детекторы на голову испытуемого, убедившись, что детекторы расположены таким образом, чтобы свести к минимуму риск движения во время экспериментального сеанса.
7. Совмещение головы пациента с изображениями МРТ путем определения местоположения предварительно выбранных внешних анатомических реперных знаков (раздел 3.2) на субъекте с помощью указателя, входящего в комплект нейронавигационного оборудования.
8. Познакомьте субъекта со стимуляцией, подав импульс в другое место (например, на руку субъекта) или подав импульс стимуляции низкой интенсивности (например, с максимальной мощностью стимулятора 5%) на кожу головы.
9. Определите порог мотора в состоянии покоя (минимальную интенсивность, при которой создается двигательный потенциал размером не менее 50 мкВ в 5 из 10 испытаний). Один из таких методов, метод относительной частоты, заключается в следующем.
   1. Определите расположение моторной коры головного мозга субъекта на полушарии, ипсилатеральном к мишеням, основанным на подключении фМРТ. При использовании нейронавигации это обычно происходит в области «Омеги» в прецентральной извилине. Наклоните катушку перпендикулярно извилине, при этом ручка должна быть направлена затылочно.
   2. Начинайте стимуляцию с интенсивностью, которая, как ожидается, будет ниже порогового (например, 35% максимальной мощности стимулятора).
   3. Увеличивайте интенсивность стимуляции с шагом 5% максимальной выходной мощности стимулятора до тех пор, пока ТМС не будет стабильно вызывать моторные вызванные потенциалы (MEP) с амплитудой > 50 мкВ в каждом испытании.
   4. Затем уменьшайте интенсивность стимуляции с шагом в 1% от максимальной мощности стимулятора до тех пор, пока не будет зарегистрировано менее 5 положительных реакций из 10.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эта интенсивность стимуляции плюс 1 определяется как моторный порог. В качестве альтернативы используйте методы адаптивного порога для определения моторного порога с меньшим количеством стимулов.
10. Для стимуляции целевых областей установите интенсивность ТМС на желаемое значение (например, 120% порог моторики в покое).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Однако в случаях, когда существуют значительные региональные различия в расстоянии между кожей головы и корой головного мозга (например, у пациентов с атрофией лобной доли), такой метод может привести к субпороговой стимуляции. В качестве альтернативы, с помощью соответствующих нейронавигационных систем, способных выполнять онлайн-оценку индуцированного электрического поля, интенсивность стимуляции также может быть установлена на определенной амплитуде рассчитанного индуцированного электрического поля (в В/м) на поверхности коры головного мозга.
11. Подавайте одиночные импульсы ТМС на каждую из целевых областей с помощью программного обеспечения для нейронавигации с переменным интервалом между импульсами, чтобы свести к минимуму пластичность коры головного мозга и эффекты ожидания субъекта (например, каждые 4-6 секунд, с интервалом не менее 3 секунд, чтобы избежать кумулятивных эффектов). Чтобы добиться максимальной согласованности, наклоните катушку перпендикулярно длинной оси нижележащей извилины так, чтобы ручка была направлена заднелатерально.

Материалы