Извлечение зрительных вызванных потенциалов из ЭЭГ данные, записанные во МРТ-управляемой транскраниальной магнитной стимуляции

Транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) генерирует кратковременный помех нормального нейронной активности в целевых областях мозга. Создавая этот переходный нейронной помех и измерения поведенческого или физиологические изменения, можно сделать причинную связь между целевой области и измеренной экспериментальной эффекта (см. обзор Паскуаль-Леоне и др.., И Тейлор и др.. ^1,2). Такой экспериментальный эффект может быть, например, производительность на когнитивной задачи или изменение электрофизиологических (ЭЭГ) активности. Действительно, в последние годы исследователи начали использовать TMS в сочетании с ЭЭГ непосредственно касаются областей коры с связанных с событиями потенциалов (ERP) или колебательных моделей деятельности (например, ^2-7). В этой методологической статье мы опишем конкретный и полезную основу для объединения TMS и ЭЭГ: МРТ наведением TMS во время ERP эксперимента. Во-первых, мы подробно рассматривается, как применять TMS в районы, предопределенных FMР.И., во время записи данных ЭЭГ. Затем мы описать экспериментальный дизайн, который позволяет добычу надежного ERP. Цель такого эксперимента является причинно ссылке области мозга, выявленных с функциональной МРТ к ERP компонентов, представляющих интерес. Наконец, мы дадим конкретный пример исследования, касающиеся лица и тела избирательное ERPs с лица и тела определенные зоны, которые открыты с МРТ.

В чем заключаются преимущества увязки сигналы ЭЭГ с МРТ активаций? ЭЭГ и МРТ обычно используются инструменты для измерения корковых ответов на визуальной информации. Например, категория-селективность в зрительного пути оценивали для различных категорий визуальных объектов, таких как лица, частей тела, и написанные слова, как с помощью ERP, выделенных из ЭЭГ ^8,9 данных и функциональной МРТ ^10-12. Сигналы, измеренные этими двумя общими инструментов исследования, однако, принципиально иной характер. ЭЭГ несет информацию о нейронной электрической активности с большим височнойточность, но очень низкого пространственного разрешения и может отражать смесь многих отдельных базовых источников. МРТ обеспечивает косвенную меру активности нейронов, опираясь на медленных изменений гемодинамики, возникающих при предъявления стимула и / или выполнения задачи, но представляет эту деятельность с более высоким пространственным разрешением. Установление связи между этими двумя показателями может, таким образом, представляет большой интерес, но ограничен в том, что это не означает, причинную связь между волосистой части головы записанные электрофизиологического ответа и областях, выявленных с функциональной МРТ. Даже когда измерены одновременно (например, ^13-15), направленный причинная связь между ЭЭГ и активности в функционально определенных областей коры не может быть определена. ТМС является инструментом, который может помочь достижению создание такой причинно-следственной связи.

Одновременное изучение ЭЭГ-ТМС методологически сложным, в основном из-за артефакта высокого напряжения, вводимого в сигнала ЭЭГ бу магнитная стимуляция (см. рисунок 1, см. обзор Ilmoniemi др.. ^16). Этот артефакт состоит из переходного короткого импульса связанных нарушения гостиной, часто с последующим более медленным вторичного (или остаточной) артефакт, который может длиться несколько сотен миллисекунд после импульса поставляется рисунке 2а, тем самым перекрывая большинство ERP компоненты, представляющие интерес. Этот вторичный артефакт может включать механические источники, такие как токов, наведенных магнитным импульсом в проводке и медленного распада этих токов в коже и физиологических источников, таких как мышечной деятельности за кожей головы и слуховых или соматосенсорных вызванных потенциалов, вызываемый работы катушка ^17-20. Хотя механические источники помех, вероятно, больше размеры артефакты амплитуду, чем физиологических эти различные артефакты не могут быть разделены, и существование любого из них в сигнале может смешивать результаты. Один можно такLution является применение повторяющихся TMS импульсов до регистрации ЭЭГ ("форума TMS»), в отличие от одновременного ЭЭГ-TMS. Тормозящий эффект такого протокола на корковой активности сохраняется в течение нескольких минут (и до получаса) после стимуляции, и ЭЭГ могут быть измерены в течение этого эффективного временного окна и по сравнению с исходным уровнем, предварительно TMS, данные ЭЭГ. Повторные стимуляции, однако, по определению не хватает высокое временное разрешение, что онлайн TMS может предложить, где импульсы могут быть введены в точной синхронизации по отношению к пробной начала при разрешении миллисекунд. Влияние ритмической стимуляции могут также распространяться через корковых связей по всей широкой области, чем необходимо, и поэтому значительно снизить пространственное разрешение, а также.

Для того чтобы воспользоваться как пространственным и временным разрешением, что ТМС может обеспечить, одновременное сочетание ЭЭГ-ТМС могут быть применены. Однако, это требует методов удаления артефактовпорожденный магнитной стимуляции на сигнал ЭЭГ. Очень немногие форума математические решения для TMS удаления артефактов были предложены ^16,21,22, хотя ни один из методов не будет согласован, и ни один метод не может быть оптимальным для всех экспериментальных конструкций. "Отсечения" система, состоящая из выборки и хранения схемы, также была разработана на мгновение остановить приобретение ЭЭГ во время TMS доставки импульса 20. Эта техника не только требует специализированного аппаратного, но не может полностью удалить остаточную TMS артефакт. В этой статье мы опишем адаптацию методологии ЭЭГ-TMS разработанной Thut и коллег ^19, особенно подходит для ERP исследований. Эта техника позволяет надежным добыча ERP, устраняя все остаточные компоненты шума, вызванные TMS импульса рисунке 2. Мы будем и далее обеспечивать общее руководство к успешной ЭЭГ-TMS экспериментальной установки.

Еще одной проблемой в TMS исследований обратился Iн это методологическая работа находя наилучшую позицию катушки и угол для точного таргетинга желаемого области коры. Мы опишем использование стереотаксической системой навигации для coregister голову субъекта с предварительно приобретенных функциональных изображениях МРТ. Хотя навигационная система может быть использована для локализации анатомически определенных структур мозга, МРТ наведением таргетинг особенно полезна, так как для многих функций и экспериментальных эффектов точное местоположение активации не может быть выведено только из анатомических маркеров. Для таких функциональных областях, представляющих интерес (ROI), определение области производится для каждого участника в отдельности.

Чтобы проиллюстрировать все вышесказанное, мы предоставим пример исследования, проведенного нами ранее, в котором ЭЭГ регистрировали одновременно с ТМС руководствуясь МРТ активаций ^7. В этом исследовании, двойной диссоциации между лицом селективных и тела-селективный ФКЗ: хотя лицо и тело ФКЗ горохаК вокруг тех же задержки и электродных сайтов, ориентированных индивидуально определенные лицом селективные и тела-селективный области в боковом затылочной доли позволило нам отделить нейронных сетей, лежащих в основе каждого ответа ERP. Наконец, мы постараемся, чтобы дать больше общего, советуют для оптимизации записи ЭЭГ во время TMS применения.

Эксперимент проводится в двух отдельных сессий. В ходе первой сессии функциональный эксперимент MRI (например, функциональный локализатор) осуществляется для определения желаемых целевых областей TMS на индивидуальной основе предмета. Результаты МРТ затем подаются в стереотаксической системой навигации для точного ТМС ориентируетесь. Второй сеанс проводится после анализа данных МРТ, в течение которых ЭЭГ, записанных одновременно с TMS. Протокол, описанный здесь был одобрен комитетом по этике в Sourasky медицинского центра Тель-Авива.

В примере, приведенном в данном документе, данные анализировались с MATLAB версии 7.7 (R2008b). Статистическая Параметрический карт (СЗМ 5) программное обеспечение для MATLAB и MarsBar инструментов для SPM 23 были использованы для обработки данных МРТ.

1. МРТ сессии и МРТ Анализ данных

1. Выполнить функциональную задачу МРТ с использованием эхо плоскую изображений (РПИ) sequencе определить нужную очаги активации быть направлены с TMS. Для лучшего диссоциации между соседними областях, таких, как OFA и EBA в примере ниже, с высоким разрешением сканирования рекомендуется. Воксели из 3 мм ³ или меньше, получены с МРТ головного катушке 8 каналов или более, являются достаточными для разграничения смежных регионов.
2. Запустите структурную сканирование T1-взвешенный получить нейроанатомической данных. Убедитесь в том, что лицо участника полностью включено в поле зрения этой проверки, так как внешние маркеры на изображении (например, кончик носа) будет позже использоваться для coregister голову субъекта с его сканирования.
3. После сбора данных, использования панели инструментов MarsBar для SPM определить желаемые участки мозга интересов на основе контрастов между экспериментальных условиях. Используйте контрасты лицо> объекты, чтобы определить затылочной области лица (OFA), и тела> объекты определяют Extrastirate области тела (EBA). Для дальнейшего обеспечения тыс.на два корковых цели функционально отличаются, использование "союз" (в MarsBar), чтобы замаскировать от каждого ROI любые вокселы отвечая на другой экспериментальной условия (исключить лица-вокселы от EBA, и тела-воксели от OFA).
4. Corregister структурные изображения T1 с функциональными сканирования, с помощью СЗМ.
5. Скопируйте файлы структурной сканирования, а также соответствующие функциональные файлы контрастность, чтобы портативный накопитель для того, чтобы загрузить в навигационную систему.

2. Подготовка Paradigm для эксперимента ЭЭГ-TMS, что позволит ERP Добыча

Описанный в разделе ниже является методом для сбора данных ЭЭГ во время TMS применения таким образом, что позволяет добычу надежного и воспроизводимого ФКЗ ^19. Преимущество этого метода заключается в том, что он легко справляется с вторичной, продолжительной, TMS артефакт, и достаточно надежна даже позволить восстановление данных на электродах, расположенных прямо под TMS смасло, где артефакт на самом высоком напряжении и длинной продолжительности.

1. Организация парадигмы
   1. Запустите различные условия TMS (различных областях целевой мозга, а также состояние не-ТМС) в отдельные блоки.
   2. В каждом блоке представить участника со всеми условиями стимулирования (например, лица, объекты, сцен и пр.) случайно в дизайне связанных с событиями.
   3. Для лучшего качества ERP и шаблон ТМС-шума (ниже) убедитесь, что по крайней мере 50 испытаний на состоянии.
2. Установите временные характеристики TMS импульса / импульсов в нужное время ожидания после изображения наступления. Это делается с помощью записи на параллельный порт, из которого кабель идет в стимулятора TMS. Эта функция доступна в большинстве программного обеспечения для психологических экспериментов, таких как Psychtoolbox (версий 2 или 3) для MATLAB 24 или E-премьер (см. материалы таблицу). Дрожании среди интервал стимула (ISI), чтобы уменьшить стимул (и импульса) предсказуемость (например добавить случайное значение между 0 до 500 мс на каждом ISI).
3. Подготовить дополнительное условие пустым экраном:
   1. Подготовка испытания в течение которого ТМС будут применяться при той же интенсивности, но без предъявления стимула на экране. Эти пустым экраном испытания TMS будет подан для расчета шаблон артефакт TMS при отсутствии визуальной стимуляции.
   2. Установите количество повторений пустых испытаний, чтобы быть идентичной с количеством повторений любого из экспериментальных условий в блоке.
   3. Для точного представления формы остаточного артефакта TMS, выборочно пустые испытания на протяжении всего блока, а не представляя их всех в начале или в конце.

3. Настройка ЭЭГ и нейронавигации Система и проведения эксперимента

Точные ТМС, направленные индивидуально определенных трансформирования можно с использованием стереотаксической навигациястранения система, состоящая из инфракрасной камеры, инфракрасные датчики установлены на голове участника, а также специализированного программного обеспечения.

1. Участники экрана на основе критериев безопасности ТМС. Исключить из субъектов участия с себя или семейной истории эпилепсии, подвергает с другими неврологическими заболеваниями или с частыми мигренями и предметам по психоактивных веществ. Хотя, как правило, не скринингу на, субъекты с подозрением на вегетативных расстройств, таких как обмороки вазовагальными (в основном проявляется как тенденция легко обморок) также могут быть исключены. Поручить участникам, чтобы избежать алкогольных напитков, начиная предварительного вечер и напитков с кофеином, по крайней мере 2 часа до начала эксперимента. Для дальнейших инструкций и обсуждение безопасности см. Росси и др. ^25, и обзор безопасности Magstim ( http://joedevlin.psychol.ucl.ac.uk/tms/docs/magstim_safety.pdf ).
2. Подготовьте тон нейронавигации систему:
   1. Перед началом сессии, кормить структурные отсканированные файлы в программное обеспечение навигационной системы.
   2. Overlay функциональные результаты МРТ (контрастах) на структурных изображений.
   3. Использование программного обеспечения нейронавигации, отметьте требуемые цели на изображениях, а также внешние анатомические маркеры, которые будут служить для Корегистрация: кончик носа, самая глубокая часть переносицы часто называют Насьон и козелка каждого ухо.
3. Установите крышку ЭЭГ на голове участника и подсоединения электродов:
   1. Старайтесь, чтобы импеданса электрода не превышает 5 кОм.
   2. Чтобы избежать TMS, связанных нагрев электродов, использование в качестве немного геля, насколько это возможно. Для достижения хорошего сопротивления с небольшим количеством геля выполнить тщательную подготовку кожи. По желанию, попросите участников мыть волосы до приезда в эксперименте.
   3. Убедитесь в том, что электродные провода не пересекаются еач друга и ориентированы от места расположения катушки. Избегайте петель в проводах.
   4. Используйте высокую частоту дискретизации для лучшего представления шума артефакт. Рекомендуется использовать 1 кГц или выше, так как большинство предыдущих исследований с использованием этого метода сделали ^7,26-28.
   5. Приложите и заземляющие электроды как можно дальше от катушки, как это возможно. В этом примере области в затылочной коре были направлены с использованием опорного нос и Fz землю ^7. Другие примеры см. ^{3,4,27,29,30.} Следует отметить, что данные могут быть повторно ссылки офлайн к новой ссылке по мере необходимости, например, общего среднего.
      Примечание: Для отзыва о оптимизации настройки ТМС-ЭЭГ см. Веньеро и др. ^31.
4. Coregister голову субъекта с сканирования, а именно:
   1. Установите инфракрасных детекторов на голове участника.
   2. Coregister расположения головы с навигационной системой, используя предопределенные маркеры (TIPноса, и т.д. См. Рисунок 3). Рекомендуется повторить Корегистрация между блоками, чтобы убедиться в корректном катушки на всех этапах.
5. Найдите целевых областей:
   1. Были предметом, сидящих с подбородок покоится на Chinrest на нужном расстоянии от экрана.
   2. Убедитесь, что участники комфортно в их кресла, так как они просят воздерживаться от движений во время экспериментальных блоков (важных для точного измерения шума шаблона).
   3. Выберите цель TMS от навигационной системы рисунке 3.
   4. Используя инструмент указателя (см. материалы таблицу), не говоря навигационная система помощи пользователю в оптимальном месте катушки и пометить его с небольшим наклейке на колпачок электрода. Важно, чтобы удерживать указатель перпендикулярно к головке. Повторите этот этап до каждого блока. Обратите внимание, что не рекомендуется использовать онлайн навигацию во время блока (навигация катушкуСам, удерживая ее), так как любое движение катушки следует избегать для лучшего измерения шаблона артефактов TMS. Было обнаружено, что предопределения и маркировки местоположения TMS является оптимальным способом для достижения стабильной стимуляции.
   5. Руководство точное центр катушки к маркеру, находившихся в руках держателя. Убедитесь, что он по касательной к голове.
6. Установите интенсивность TMS до желаемой величины. Администрирование один тестовый импульс для утверждения участника.
7. Запустите экспериментальный блок.
8. Нет-ТМС Состояние: если специализированный Катушка обман ТМС не доступен, поместите TMS катушку рядом с головой субъекта и наклоните его в 90 °. Запустите блок, как обычно, в том числе пустых испытаний.
   Читатель может также относиться к видео бумаге Юпитер по Андона и Zatorre ³² для дальнейшей демонстрации навигационной системы.

4. Анализ данных ЭЭГ и вычислительной ERP

1. Снимите немедленно импульса Artifакт, а именно:
   1. Если вырезка устройство недоступно (см. выше), первый шаг в обработке данных ЭЭГ будет вырезать немедленного TMS импульса сам артефакт из данных. Обратите внимание, что этот шаг можно пропустить, если фильтры не желательно. Но если фильтры применяются, острым краем форма артефакта создаст искажения в данных. Узкая временного окна от 10 до 15 мс после импульса начала должно хватить, но не забудьте убедиться в этом путем визуального осмотра данных.
   2. Соедините два обрезанными концами, созданные после удаления импульса. Два основных метода достижения этого были предложены в предыдущих докладах: 1 просто объединиться два конца оставшиеся после удаления импульса (см. Fuggetta др. ²⁶ и Рисунке 1.);. 2. Интерполировать линии между двумя обрезанными концами, генерируя равномерно распределенных значения между ними ^7. Уравнение, используемое для этого интерполяции выглядит следующим образом: для каждой точки данных отсутствует у в образце х,вычислить у = у ₀ + ((у _{1-й 0)} * (хх ₀₎₎ / (х _{1-х 0),} где х _0, у ₀ координаты для последней точки данных до разреза сегменте, и Х ₁ и у _{1-координаты} для первой точки данных после разреза сегменте. Оба метода уверяют, что фильтры могут быть применены на данных, не производя рябь из-за резких скачков напряжения, как показано на рисунке 1. Обратитесь к работе Рейхенбахом и коллег ²⁷ для более сложного ^3-й порядок полиномиальной интерполяции.
2. Применить метод вычитания:
   1. Для каждой экспериментальной блока, в том числе условия не-TMS управления, если присутствует, вычислить усредненную ERP в черновые испытаний экрана на время блокировки их пробного запуска (как если бы были представлены изображения).
   2. Вычесть эту среднем шаблон из каждого суда всех других условий стимулирования. Если проводились в нескольких кварталахдля того же сайта стимуляции, сделать это отдельно для каждого блока, как шаблон будет немного отличаться между блоками.
3. Все остальные предварительной обработки и переработки шаги осуществляются как в любой другой ERP эксперимента.

Одновременное ЭЭГ-ТМС расследование было использовать для выявления ли диссоциируют в ERP ответы на лицах и телах, записанных на затылочно-височной волосистой части головы. Когда визуальные стимулы представлены, видный N1 компонента регистрируется в задне-боковой электрод сайтов. В частности, компонент N1, как правило, больше для лица и тела, чем к другим категориям стимула 8,33. По оценке эффекта стимуляции на лице и теле-селективный областях мозга, определенных с МРТ на их соответствующих лица и компонента N1 тела, мы попытались определить, есть ли отражают лица и тела N1 ответы (хотя бы частично) без перекрытия источников, или, скорее, то же самое сетевой активности с количественно различных уровней активации.

Мы применили стимуляции дважды импульса в 60 мс и 100 мс после изображения наступления (см., например, кувшин и др.. 34,35), на лицо-селективных и тела-селективный районов в боковой occip итал коры - затылочной-Фронтальная поверхность (OFA) и Extrastriate Площадь тела (EBA) (рис. 4А, см. раздел 1.3 выше для определения соответствующего МРТ контрастирует). Эти две области были стимулированы в отдельные блоки, в то время как субъекты просматриваемые изображения лица и безголовых тел. Результаты показывают, что стимуляция к OFA повышения N1 амплитуду в лицах, но не в органы, в то время как стимуляция к EBA повышения N1 в органы, но не лица. 2В изображает лицо N1 до и после вычитания остаточной артефактов TMS, а на рис 4B показывает специфическое воздействие на ТМС N1 компонента в зависимости от вынужденного области.

Эти данные показывают, как МРТ наведением TMS во время параллельного записи ЭЭГ могут быть применены для оценки того разобщены два (или более) нейронные сети, а также для установления причинно-следственной связи между функционально определенной области мозга и электрофизиологического сигнала.

ove_content "FO: держать-together.within-странице =" всегда ">
.. Рисунок 1 Обработка данных Сырье и обработанные данные представительного субъекта, на боковых-затылочной электрода PO8 (А) Первичные данные ЭЭГ в том числе двух испытаний, в каждом из которых двумя импульсами TMS, разделенных 40 мс (красные стрелки);. (B) Осмотрите данных после удаления импульса. Два импульсы на каждом испытании удаляются из данных путем разрезания окно вокруг двойной импульс (2 мс до первого импульса в 16 мс после второго импульса). Нарезанные края затем соединяются путем интерполяции (красные стрелки), как описано в 4.1.2; (С) с интерполяцией сегмент позволяет фильтровать без резкости изображения. На этой фигуре 40 Гц низкочастотной фильтрации ERP (красный) приведено относительно его не-фильтрованной версии(Серый); (D) В качестве альтернативы интерполяции, свободные концы, которые остались после удаления импульсов могут быть соединены вместе (см., например Fugetta и др. 26, а точка 4.1.2 в тексте). Здесь оба метода по сравнению и показать очень подобные сигналы (синие и красные следы в основном перекрываются), после низкочастотной фильтрации на частоте 40 Гц. Красный след: линейный метод интерполяции; синяя линия:. нет интерполяции (подключен края не будут приняты отдельно для черчения только цель, чтобы держать консистенцию оси времени) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 2. Артефакты TMS и техника вычитание. (А) Слева - ERP время автоподстройки на презентацию изображением лица, с двухимпульсном TMS на 60 мс и 100 мс после изображения наступления. Каждая строка представляет собой электрод. Следует отметить, что для некоторых электродов немедленное TMS артефакт следуют более длительного остаточного артефакта. Право - Приблизительное расположение катушки символизируется двумя красными кругами, а через несколько электроды помечены для ориентации; (В) процедура Артефакт-вычитание. Непосредственной импульса артефакт удаляется (скрытая), шаблон остаточного шума измеряется на основе "TMS только" испытаний и вычитается из полных испытаний. Адаптировано с разрешения Саде и др. 7. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

p_upload/51063/51063fig3highres.jpg "Первоначально" / files/ftp_upload/51063/51063fig3.jpg "/>
Рисунок 3. Стереотаксической системы навигации. Топ: Установка ориентиры для corregistration. Для того, чтобы corregister структурную сканирование головкой с фактическим положением головы во время эксперимента, анатомические ориентиры обозначены на изображении, как показано стрелками. Затем места в пространстве тех же ориентиров на голове испытуемого предоставляются системы с помощью специализированного трекера, который обнаруживается в нижней части фотоаппарата. Функциональные зоны мозга может быть точно нацелены. Активации накладываются на анатомическое изображение, и желаемые области отмечены и сохранены. В ходе заседания экспериментатор может загрузить предварительно определенную область целевому с TMS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4. Представитель результаты. Дважды импульсов TMS был применен ни направо, OFA или правой EBA, в 60 мс и 100 мс после начала лицом или без головы-образа тела. Было сделано диссоциации между номинальной N1 и тела-N1 ответов (А) Два целевые области в репрезентативной теме; (B) Слева - двойной размежевания между лицом и сетей тела.. TMS к OFA усиливает реакцию N1 до граней, но не в органы, относительно TMS в EBA. Противоположная схема показана для стимулов без головы-тела. Право - N1 максимальная амплитуда для лица и тела, после OFA стимуляции, EBA стимуляции, и без TMS стимуляции. Усы обозначать SEM. Это цифры была адаптирована с разрешения Саде 7. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Авторы заявляют, что они не имеют конкурирующие финансовые интересы.