Мозг государство-зависимых стимуляции мозга с электроэнцефалографии в режиме реального времени-Triggered Транскраниальной магнитной стимуляции
20 августа 2019 г.
В этой статье описывается электроэнцефалография в режиме реального времени, вызванная транскраниальной магнитной стимуляцией для изучения и модулировать сети мозга человека.
Метод сочетает в себе ЭЭГ и TMS для реального времени мозга состояние зависимой стимуляции мозга. Это позволяет синхронизировать участки TMS с определенной фазой текущих эндогенных колебаний мозга. Стимуляция мозга является методом для модуляции мозга путем синхронизации отдельных импульсов TMS с конкретным ЭЭГ определяется состояние мозга.
Эффект стимуляции может быть оптимизирован. Стандартный TMS уже используется для лечения неврологических и психических заболеваний, таких как инсульт и депрессия. Синхронный ЭЭГ TMS имеет потенциал для улучшения результатов лечения с помощью персонализированных протоколов стимуляции.
Мы также используем ЭЭГ-синхронизированные TMS для исследования основных нейрофизиологии колебаний мозга в человеке, сравнивая эффекты, которые стимулы, которые идентичны, но применяются в различных состояниях мозга. Эффекты могут быть тонкими и легко вымываются другими источниками экспериментальной изменчивости. Мы обнаружили, что низкая интенсивность стимула лучше всего подходит для наблюдения за влиянием сенсорного двигательного ритма на возбудимость коркового позвоночника.
Для проведения замкнутого цикла эксперимент мозговой активности регистрируется через ЭЭГ потенциалы с поверхности кожи головы, которые оцифрованы усилителем ЭЭГ. Затем сигнал переходит к основному блоку ЭЭГ, а оттуда к устройству в режиме реального времени, которое контролирует стимулятор, тем самым закрывая сигнальную петлю между измерением и модуляцией активности мозга. Устройство в реальном времени анализирует колебания ЭЭГ и посылает триггерный сигнал стимулятору TMS, когда заданное условие триггера выполнено, чтобы пройти короткий текущий импульс через катушку TMS, которая помещается на голову.
В ходе эксперимента положение катушки на голове будет контролироваться с помощью нейронавигационного устройства. Подключите выход системы ЭЭГ в режиме реального времени к вводу устройства в режиме реального времени и подключите выход устройства в режиме реального времени к триггеру ввода стимулятора TMS. Зарегистрируйте участника исследования в системе, убедившись, что протокол соответствует компоновке крышки ЭЭГ и что соответствующие каналы отправляются на выход в режиме реального времени.
На компьютере, управляющем устройством в режиме реального времени, загружается программное обеспечение для управления устройством в режиме реального времени и обеспечения того, чтобы каналы ввода в режиме реального времени соответствовали конфигурации системы ЭЭГ. Затем включите стимулятор TMS и установите конфигурацию для внешнего срабатывания. Для мониторинга положения катушки и достижения точной и последовательной таргетинга TMS в течение и через сеансы загружайте отдельные структурные данные МРТ в программное обеспечение навигационной системы до начала эксперимента для каждого участника.
Затем прикрепите катушки трекер к катушке стимуляции и калибровать катушки. Когда система будет готова, поместите крышку ЭЭГ соответствующего размера на голову участника исследования и используйте измерительную ленту, чтобы правильно распоставить крышку. Нажмите волосы в сторону, так что кожа головы видна и подготовить кожу головы с абразивным гелем применения.
Затем нанесите проводящий гель на электроды и убедитесь, что электрод ЭЭГ недейтов ниже пяти килохм. Обложка ЭЭГ крышка с полиэтиленовой пленкой и подходят сетки крышка над полиэтиленовой пленкой, чтобы сохранить кабели в фиксированном положении, чтобы уменьшить изменчивость артефакт эЭГ. Затем нанесите клейую ленту, чтобы повысить стабильность нескольких слоев и ленты отражающей головой трекер к голове субъекта для обеспечения стабильности на протяжении всего эксперимента.
Прикрепите поверхностные электроды ЭМГ к очищенным и абрадированным мышцам-мишеням и визуально осмотрите текущие сигналы ЭЭГ и ЭМГ на плохие электроды. Держите биполярные кабели ЭМГ близко друг к другу и близко к телу участника исследования, чтобы уменьшить шум линии пикап. Затем используйте инструмент указателя для совместной регистрации головной модели с соответствующими анатомическими ориентирами и определения местоположения датчика ЭЭГ для последующей оценки отдельных источников активности ЭЭГ.
Для выполнения в режиме реального времени ЭЭГ-синхронизированный эксперимент TMS сначала определить точное место, где TMS моторной коры вызывает сильнейшей двигательной реакции от мышц рук. Затем отметь эту точку доступа и положение катушки в программном обеспечении нейро-навигации. Затем зафиксировать головную часть предмета с помощью вакуумной подушки и исправить катушки в точке доступа с механической рукой.
Для определения пороговой интенсивности стимуляции постепенно регулируйте интенсивность стимуляции до тех пор, пока 50% импульсов TMS не приведут к двигательной реакции. Здесь интенсивность была установлена до 110% от пороговой интенсивности. Чтобы настроить систему реального времени для объединения нескольких каналов ЭЭГ для извлечения определенного колебания, используйте пятиканальный лацлаковый спайс-фильтр, центрированный на электроде C3, чтобы извлечь сенсорный двигательный ритм.
Чтобы вызвать TMS либо на положительном или отрицательном пике этого колебания установить состояние триггера фазы фазы нуля или фазы pi случайным образом для каждого испытания, прежде чем вооружить устройство в режиме реального времени и установить последовательность, которая будет повторяться на цикле каждые две секунды. Затем запустите эксперимент в течение примерно 10 минут, чтобы приобрести достаточное количество испытаний, чтобы дифференцировать фазы конкретных эффектов стимуляции. В ходе эксперимента положение катушки будет контролироваться на нейронавигационной системе, а сигналы ЭЭГ и ЭМГ будут контролироваться в системе ЭЭГ.
Необработанные данные, а также предварительного стимула ЭЭГ и пост-стимул мышечной реакции для каждого состояния также отображаются на ЭЭГ системы. Устройство в режиме реального времени будет выполнять пространственную фильтрацию для целевой области мозга, представляющих интерес, и фильтрации полосы, чтобы изолировать колебания интереса, оценивая мгновенную амплитуду и фазу с помощью ауторегрессивного предсказания вперед и преобразования Гильберта. Этот сигнал затем сравнивается с условием триггера.
При утехе порога мощности и фазовых условий срабатывает стимулятор. Используя отображаемые онлайн-средние показатели бега, точность фазового таргетинга и влияние фазы на реакцию мышц можно оценить в ходе эксперимента. В этих цифрах показан средний сигнал ЭЭГ до стимула в 400 миллисекундах до импульса TMS в течение трех предопределенных условий и средних вызванных двигательными потенциалами, записанными из мышц правой руки.
Взятые вместе эти результаты показывают, что отрицательное отклонение ЭЭГ микро-ритма соответствует более высокому корковому возбудимости, что приводит к более крупным амплитуляциям двигателя по сравнению с положительным отклонением ЭЭГ с низкой межпроцесной изменчивостью отмеченных эффектов кортикоспинальной возбудимости. Нам нужен стабильный и чистый сигнал ЭЭГ. Ключевым является хорошо подготовленный участник исследования, который расслаблен, удобен и способен сидеть на месте.
Это простой в использовании плагин и метод воспроизведения, чтобы исследовать, имеют ли крупномасштабные состояния корковых подключений причинные эффекты в экспериментах на основе возмущения. Если посмотреть на одно локализованное колебание, то это только первый шаг. Мы смогли использовать результаты этого метода, чтобы показать, что повторяющиеся TMS имеют отрицательный пик текущих сенсорных колебаний двигателя и долгосрочного потенции, как пластичность.
TMS является безопасной и безболезненой процедурой. Очень редким побочным эффектом является эпилептический припадок у уязвимых лиц, а иногда и легкая временная головная боль может произойти.
Обзор
В данном исследовании представлен метод, объединяющий электроэнцефалографию (ЭЭГ) в реальном времени с транскраниальной магнитной стимуляцией (ТМС) для изучения и модуляции сетей человеческого мозга. Этот подход позволяет синхронизировать импульсы ТМС с определенными фазами текущих колебаний мозга, что потенциально улучшает результаты лечения неврологических и психиатрических заболеваний.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Электрофизиология
- Методы стимуляции мозга
Теоретические основы
- Стандартная ТМС используется для лечения различных неврологических и психических расстройств.
- ТМС, синхронизированная с ЭЭГ, позволяет применять персонализированные протоколы стимуляции.
- Исследование воздействия стимулов при различных состояниях мозга может дать ценные сведения о тонких нейрофизиологических процессах.
- Низкая интенсивность стимула может быть оптимальной для наблюдения специфических реакций мозга.
Цель исследования
- Изучить влияние синхронизированной ТМС на осцилляции мозга.
- Оптимизировать методы стимуляции мозга для улучшения результатов лечения.
- Изучить нейрофизиологию осцилляций мозга с помощью модуляции в режиме реального времени.
Используемые методы
- Данные ЭЭГ регистрируются и анализируются в режиме реального времени для запуска ТМС.
- Катушка ТМС позиционируется с помощью нейронавигации для точного нацеливания.
- Участники проходят серию проб для оценки эффектов стимуляции, специфичных для определенной фазы.
- Данные ЭЭГ и ЭМГ контролируются для оценки мышечных ответов.
Основные результаты
- ЭЭГ-анализ в реальном времени позволяет точно определять время подачи импульсов ТМС.
- В ходе испытаний можно дифференцировать эффекты стимуляции, специфичные для определенной фазы.
- Стимуляция низкой интенсивности облегчает наблюдение за ответами мозга.
- Точное позиционирование катушки повышает достоверность результатов стимуляции.
Выводы
- ТМС, синхронизированная с ЭЭГ, представляет собой перспективный метод изучения мозговых сетей.
- Данный метод может привести к совершенствованию терапевтических стратегий лечения заболеваний головного мозга.
- Необходимы дальнейшие исследования для полного понимания последствий фазозависимой стимуляции.
Часто задаваемые вопросы
Промышленная значимость для руководителей
Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) с триггером по ЭЭГ в режиме реального времени позволяет точно модулировать возбудимость коры головного мозга, синхронизируя стимуляцию с эндогенными осцилляциями мозга, что открывает путь к снижению рисков при валидации мишеней в терапии методами нейромодуляции. Данный подход способствует механистическому исследованию ответов, зависящих от состояния мозга, повышая прогностическую достоверность при разработке протоколов стимуляции для лечения неврологических заболеваний на ранних этапах. За счет изоляции фазоспецифических эффектов этот метод улучшает трансляционную преемственность от базовой нейрофизиологии к разработке персонализированной терапии.
Стратегические применения в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишеней
- Научная ценность: позволяет проверять терапевтические гипотезы, исследуя влияние состояния мозга на возбудимость коры и индукцию пластичности.
- Практическая ценность: предоставляет контролируемую систему для изоляции эффекта времени стимуляции на нейрофизиологические результаты.
- Прогностическая ценность: повышает уверенность в выборе мишени путем определения оптимальных состояний мозга для эффективной нейромодуляции.
Скрининг и разработка анализа
- Готовность анализа: обеспечивает количественные, фазозависимые показатели моторных вызванных потенциалов для стандартизированного скрининга стимуляции.
- Воспроизводимость: использует триггеры ЭЭГ в реальном времени для минимизации межпробной вариабельности при измерении ответов на стимуляцию.
- Масштабируемость: поддерживает повторные испытания с неизменным положением катушки с помощью нейронавигации для надежного сбора данных.
Трансляционные и доклинические исследования
- Трансляционная преемственность: связывает фундаментальные исследования осцилляций с разработкой клинических протоколов путем выявления состояний мозга, усиливающих пластичность.
- Снижение механистических рисков: разъясняет, как эндогенные ритмы модулируют эффекты стимуляции, уменьшая неопределенность в отношениях «доза-ответ».
- Доклиническая согласованность: способствует валидации систем, релевантных для конкретных заболеваний, путем воздействия на сенсомоторные ритмы в моторной коре человека.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный метод вписывается в континуум разработки лекарственных средств — от валидации мишени и идентификации ведущих соединений до доклинической оптимизации — обеспечивая возможность оценки интервенций по нейромодуляции с учетом стратификации по состояниям мозга.
- Открытия в биологии: способствует проверке гипотез о том, как фазы осцилляций определяют реактивность коры головного мозга на стимуляцию.
- Скрининг: обеспечивает стандартизацию анализа с помощью фазосинхронной стимуляции и количественного измерения моторных вызванных потенциалов на основе ЭМГ.
- Аналитика: предоставляет данные об амплитуде и латентности для конкретных фаз, что позволяет сравнивать условия стимуляции при различных состояниях мозга.
- Трансляционные исследования: способствует согласованию биомаркеров путем установления связи между паттернами фаз ЭЭГ и окнами стимуляции, индуцирующими пластичность.
- Повторное использование в корпоративной среде: создает универсальную платформу для оценки времени стимуляции с учетом различных мишеней, интенсивности и диапазонов осцилляций.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: повышает достоверность прогнозирования воздействия на мишень за счет выявления зависящей от состояния модуляции нейронных цепей.
- Операционная ценность: повышает воспроизводимость благодаря триггерному запуску ЭЭГ по замкнутому контуру и стандартизированному нацеливанию катушки.
- Стратегическая ценность: улучшает принятие решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) путем определения параметров стимуляции, наиболее способствующих индукции пластичности.
- Влияние на портфель: позволяет осуществлять приоритезацию кандидатов для нейромодуляции с учетом рисков на основе чувствительности к состоянию мозга.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области обработки ЭЭГ-сигналов, протоколов безопасности ТМС и нейронавигации для точного нацеливания.
- Зависит от инфраструктуры обработки в реальном времени, способной выполнять полосовую фильтрацию, оценку фазы и контроль задержки триггера.
- Необходима межкомандная стандартизация между специалистами по электрофизиологии, стимуляции и измерению двигательных результатов.
- Требует учета адаптации при применении метода к различным диапазонам осцилляций или кортикальным мишеням, помимо сенсомоторного ритма.
- Основывается на использовании парадигм с низкой интенсивностью стимула для выявления тонких эффектов, зависящих от состояния, поскольку более высокая интенсивность может маскировать фазоспецифическую модуляцию.
