Мультимодального Imaging- и стимуляция на основе метод оценки подключения связанных с Возбудимость мозга у пациентов с эпилепсией
13 ноября 2016 г.
МРТ функциональной связности в состоянии покоя выявила аномалии у пациентов с широким спектром нервно-психических расстройств, включая эпилепсию из-за пороков развития коры головного мозга. Транскраниальная магнитная стимуляция в сочетании с ЭЭГ может продемонстрировать, что пациенты с эпилепсией имеют корковую гипервозбудимость в областях с аномальными связями.
Общая цель данного эксперимента — оценить региональную гипервозбудимость коры у пациентов с эпилепсией с помощью функциональной связности в состоянии покоя, транскраниальной магнитной стимуляции под контролем МРТ в сочетании с одновременной записью ЭЭГ. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области эпилептологии и нейрофизиологии, например, о наличии у пациентов с эпилепсией признаков гипервозбудимости в областях, которые, как полагают, являются частью эпилептогенной сети. Основным преимуществом данной методики является возможность оценки различий в возбудимости головного мозга в зависимости от связности, а также возможность оценки реактивности коры в различных областях мозга.
Данная методика имеет важное значение для диагностики и лечения эпилепсии, так как повышенная возбудимость коры может быть выявлена даже при нормальных показателях стандартной ЭЭГ, а эпилептогенные цепи могут стать мишенями для терапевтического воздействия. Процедуру продемонстрирует Тамара Геданкиан, научный ассистент моей лаборатории. Перед началом тестирования определите две целевые области для ТМС, наложив карту функциональной связности каждого испытуемого на его структурное изображение.
Для начала экспериментальной сессии пригласите испытуемого в комнату для тестирования и попросите его сесть на стул. Измерьте размер головы испытуемого и подберите электроэнцефалографическую (ЭЭГ) шапочку подходящего размера для обеспечения низкого импеданса электродов. Затем тщательно очистите кожу под каждым электродом с помощью ватной палочки и спирта.
Нанесите электропроводящий гель на каждый электрод и прижмите электрод, чтобы обеспечить хороший контакт между кожей головы, гелем и электродом. Чтобы минимизировать артефакты зарядки, следите за тем, чтобы гель не вытекал за пределы держателя электрода. Разместите референтный электрод и электрод заземления на лбу, как можно дальше от стимулирующей катушки, чтобы свести к минимуму вероятность загрязнения всей записи артефактом от электрода, вызванным TMS.
Расположите эти электроды на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга, чтобы минимизировать синфазные помехи. Затем нажмите кнопку измерения импеданса на системе ЭЭГ. Проверьте импеданс электродов, подключив выходные кабели ЭЭГ к разъему измерения импеданса системы записи ЭЭГ.
Убедитесь, что импеданс электрода не превышает 5 кОм. Затем подготовьте электроды для электромиографии на противоположной руке. Выдайте испытуемому беруши, чтобы минимизировать риск потери слуха и появления тиннитуса.
Затем расположите инфракрасные детекторы на голове испытуемого, убедившись, что они закреплены таким образом, чтобы минимизировать риск их смещения во время экспериментальной сессии. Выполните корегистрацию головы испытуемого с МРТ-снимками, определив положение заранее выбранных внешних анатомических фидуциарных маркеров на теле испытуемого с помощью указателя, входящего в комплект оборудования для нейронавигации. Ознакомьте испытуемого со стимуляцией, приложив импульс в другом месте или подав импульс низкой интенсивности на кожу головы.
Определите порог моторного возбуждения в состоянии покоя, обнаружив моторную кору испытуемого в полушарии, ипсилатеральном по отношению к мишеням, основанным на функциональной связности. Расположите катушку перпендикулярно извилине, направив рукоятку в сторону затылка, и начните стимуляцию с интенсивности, которая, как ожидается, будет ниже порога. Затем увеличивайте интенсивность стимуляции с шагом 5% от максимальной мощности стимулятора до тех пор, пока TMS не начнет стабильно вызывать моторные вызванные потенциалы с амплитудой более 50 microvolts в каждой пробе.
Снижайте интенсивность стимуляции с шагом в 1% от максимальной мощности стимулятора до тех пор, пока не будет зафиксировано менее пяти положительных ответов из 10. Наконец, установите интенсивность TMS на нужное значение. С помощью программного обеспечения для нейронавигации подавайте одиночные импульсы TMS в каждую из целевых зон, используя разные интервалы между импульсами для минимизации эффектов корковой пластичности и ожиданий испытуемого.
Начните с проведения первого раунда анализа независимых компонентов (ICA) и удалите один или два компонента, представляющих сильную начальную активацию мышц, вызванную TMS. Для этого выполните ICA, используя метод fast ICA с симметричным подходом и функцию контраста 10, применив команду, показанную здесь. Идентифицируйте компоненты, соответствующие артефакту TMS, выбрав Tools, Reject data using ICA, и удалите компоненты по карте (remove components by map), что позволит отобразить топографические карты всех компонентов ICA.
Затем нажмите на номер каждого компонента, чтобы отобразить подробные данные о нем. Далее удалите артефактные компоненты: выберите Tools, Remove components и введите соответствующие номера компонентов в поле Component(s)to remove from data. В появившемся окне подтверждения нажмите Plot ERPs, чтобы просмотреть вызванные потенциалы (ВП), полученные после удаления выбранных компонентов.
Чтобы просмотреть эффекты отдельных проб, нажмите Plot single trials. После анализа ERP, как и в случае с отдельными пробами, нажмите кнопку Accept, чтобы удалить выбранные компоненты. Выполните второй раунд ICA и удалите компоненты, соответствующие артефактам затухания, моргания, мышечным сокращениям и электродному шуму.
Для этого выполните ICA методом fast ICA, используя симметричный подход и контрастную функцию tan, так же, как это было сделано в первом раунде ICA. Аналогичным образом оцените свойства компонентов, используя топографическую карту, как и в первом раунде ICA. Затем отметьте компоненты, соответствующие остаточным артефактам затухания TMS, артефактам моргания и мышечным артефактам.
Кроме того, отметьте компоненты, соответствующие шуму каналов, основываясь на их пространственном и временном распределении. Наконец, удалите отмеченные компоненты, так же, как и в первом раунде ICA: выберите Tools, Remove components и введите соответствующие номера компонентов в поле Component(s)to remove from data. МРТ функциональной связности в состоянии покоя используется для выявления областей на поверхности коры, имеющих связь с областями гетеротопии.
ТМС этих областей вызывает аномально повышенную отсроченную активность по сравнению с областями, в которых нет аномальной связности, и по сравнению с теми же зонами у здоровых людей из контрольной группы. В данном случае локализация источника аномальных поздних пиков в вызванных ТМС потенциалах у пациентов с эпилепсией позволяет определить области мозга, в которых возникает аномальная активность. Эта область может пространственно совпадать с очагом эпилептических приступов пациента.
После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как использовать функциональную связность в состоянии покоя, МРТ-навигацию, ТМС и ЭЭГ для оценки возбудимости коры головного мозга в различных областях у пациентов с эпилепсией и другими нейропсихиатрическими расстройствами. После выполнения этой процедуры можно применять другие методы, такие как ритмическая ТМС, чтобы определить, может ли снижение корковой возбудимости в областях мозга, входящих в патогенную сеть, модифицировать активность заболевания.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании оценивается региональная гипервозбудимость коры головного мозга у пациентов с эпилепсией с помощью функциональной связности в состоянии покоя и транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) под контролем МРТ в сочетании с ЭЭГ. Целью данного подхода является выявление гипервозбудимости в областях мозга, связанных с эпилептогенной сетью.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Нейрофизиология
- Исследование эпилепсии
Теоретические основы
- МРТ функциональной связности в состоянии покоя выявляет отклонения при нейропсихиатрических расстройствах.
- Пациенты с эпилепсией часто демонстрируют повышенную возбудимость коры головного мозга.
- Транскраниальная магнитная стимуляция позволяет оценить реактивность коры.
- Выявление гипервозбудимости может улучшить диагностику и стратегии лечения.
Цель исследования
- Оценить гипервозбудимость коры у пациентов с эпилепсией.
- Определить, коррелирует ли гипервозбудимость с аномальной связностью.
- Изучить возможности терапевтического воздействия на эпилептогенные цепи.
Используемые методы
- Анализ функциональной связности в состоянии покоя.
- Транскраниальная магнитная стимуляция под контролем МРТ.
- Одновременная запись ЭЭГ.
- Наложение карт функциональной связности на структурные изображения.
Основные результаты
- Доказательства корковой гипервозбудимости в специфических областях мозга.
- Выявление различий в возбудимости головного мозга на основе связности.
- Потенциальная возможность терапевтического воздействия на эпилептогенные цепи.
- Полученные результаты могут углубить понимание механизмов эпилепсии.
Выводы
- Корковая гипервозбудимость может быть выявлена даже при нормальных показателях рутинной ЭЭГ.
- Данный метод позволяет получить представление об эпилептогенной сети.
- Результаты подтверждают целесообразность использования ТМС и ЭЭГ в диагностике и лечении эпилепсии.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Данный метод мультимодальной визуализации и стимуляции позволяет специалистам в области биофармацевтических исследований и разработок оценивать гипервозбудимость коры головного мозга в моделях эпилепсии, что способствует валидации мишеней путем установления связи между нарушениями функциональной связности и электрофизиологическими фенотипами. Он представляет собой инструмент механистического снижения рисков для оценки изменений возбудимости на уровне нейронных сетей в доклинических и трансляционных исследованиях, особенно при нейропсихиатрических показаниях, где гипервозбудимость сетей считается предполагаемым драйвером заболевания. Данный подход повышает прогностическую уверенность при выборе мишени, демонстрируя причинно-следственную связь между изменениями связности и патофизиологическими состояниями.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: Позволяет проверить терапевтические гипотезы путем исследования того, проявляют ли области с аномальной связностью в состоянии покоя каузальную гипервозбудимость при воздействии методом ТМС-ЭЭГ.
- Практическая ценность: Обеспечивает биологическую верификацию мишеней путем установления корреляции между изменениями связности и измеримой электрофизиологической дисфункцией в системах, значимых для данного заболевания.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Подготовка валидированных биологических систем с количественно определенными ЭЭГ-ответами, вызванными ТМС, в качестве стандартизированного метода скрининга соединений, модулирующих возбудимость коры головного мозга.
- Практическая ценность: Обеспечение воспроизводимости анализа за счет нацеливания под контролем МРТ и удаления артефактов с помощью ICA, что позволяет проводить надежные лонгитюдные сравнения или сравнения между различными условиями.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Демонстрирует связь с заболеванием, показывая, что аномальная активность, вызванная ТМС, колокализуется с зонами начала приступа, что подтверждает преемственность от биомаркеров связности к патофизиологическим цепям.
- Практическая ценность: Облегчает принятие решений о продвижении проекта с учетом рисков, предоставляя транслируемый показатель гипервозбудимости цепей, который можно отслеживать от этапа поиска до доклинических стадий.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный метод интегрируется в континуум исследований путем первоначального выявления аберрантных сетей с помощью rs-fcMRI, затем исследования их причинно-следственной возбудимости с использованием TMS-EEG и, наконец, подтверждения воздействия на мишень через нормализацию аномальных поздних компонентов вызванных потенциалов.
- Фундаментальная биология: обеспечивает проверку гипотез путем определения того, проявляют ли функционально связанные области патогенную гипервозбудимость, что позволяет прояснить механизмы на уровне нейронных сетей в моделях эпилепсии.
- Скрининг: обеспечивает готовность метода анализа за счет стандартизированного применения импульсов ТМС и количественной оценки вызванных потенциалов (ВП), что позволяет оценивать влияние соединений на реактивность коры.
- Аналитика: позволяет получить количественные измерения зависимых переменных (например, латентность и амплитуду поздних компонентов ТМС-вызванных потенциалов), что обеспечивает возможность статистического сравнения между патологическим и контрольным состояниями.
- Трансляционные исследования: обеспечивают преемственность с доклиническими исследованиями, демонстрируя пространственную колокализацию аномальной ТМС-вызванной активности с эпилептогенными зонами, что способствует валидации мишеней на основе биомаркеров.
- Повторное корпоративное использование: представляет собой многократно используемую платформу для изучения возбудимости нейронных цепей при различных нейропсихиатрических показаниях и не ограничивается однократной экспериментальной валидацией.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: обеспечивает прогностическую уверенность в валидации мишеней за счет связывания аномалий связности с причинными электрофизиологическими фенотипами, что снижает механистическую неопределенность при выборе нейропсихиатрических мишеней.
- Операционная ценность: гарантирует стандартизацию и воспроизводимость за счет использования ТМС под руководством нейронавигации, фиксированных межпульсовых интервалов и многоэтапной коррекции артефактов с помощью ICA.
- Стратегическая ценность: улучшает процесс принятия решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) за счет раннего выявления гипервозбудимости нейронных цепей даже при нормальных показателях рутинной ЭЭГ, тем самым снижая биологические риски на поздних стадиях программ по ЦНС.
- Влияние на портфель: поддерживает приоритизацию с учетом рисков путем идентификации мишеней, модуляция которых нормализует патологическую возбудимость, что позволяет направлять капитал на кандидатов с механистически сниженным риском.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области нейрофизиологии, протоколов безопасности ТМС, регистрации ЭЭГ и мультимодальной корегистрации изображений.
- Метод опирается на использование систем нейронавигации, катушек ТМС, совместимых с одновременной ЭЭГ, и ЭЭГ-шлемов высокой плотности для минимизации артефактов.
- Необходима межкомандная стандартизация между специалистами по визуализации, стимуляции и электрофизиологии для обеспечения согласованного выбора мишеней и интерпретации данных.
- При применении метода на различных модельных системах требуются определенные адаптации, так как размер головы, позиционирование катушки и параметры ICA могут нуждаться в оптимизации в зависимости от вида или линии животных.
- Существуют практические ограничения, такие как подверженность артефактам движения, межиндивидуальная вариабельность проводимости черепа и необходимость тщательного скрининга испытуемых для исключения противопоказаний к ТМС.
![Частично количественная оценка с помощью FDG Tracer [18F] у больных с тяжелой черепно-мозговой травмы](/_next/image?url=https%3A%2F%2Fcloudfront.jove.com%2FCDNSource%2Fteasers%2F58641.jpg%3Fv%3D2026-08-11T08%253A27%253A20.333Z&w=384&q=75)