En ny metod för att dokumentera fosfener framkallas av transkraniell magnetisk stimulering

Summary

Fosfener är övergående percepts av ljus som kan framkallas genom att transkraniell magnetisk stimulering (TMS) för att visuellt känsliga områden i hjärnbarken. Vi visar ett standardprotokoll för att fastställa phosphene tröskelvärde och införa en ny metod för att kvantifiera och analysera upplevda fosfener.

Abstract

Stimulering av den mänskliga visuella hjärnbarken ger en övergående uppfattning av ljus, känd som en phosphene. Fosfener induceras av invasiv elektrisk stimulering av occipital cortex, men också av icke-invasiva transkraniell magnetisk stimulering (TMS)

Protocol

1. Induktion en Phosphene med stimulans till höger nackloben

1. I ett svagt upplyst rum, säte deltagaren i en bekväm position. Har deltagaren sätta på en simtur cap, förse dem med hörselskydd, och justera den gemensamma jordbrukspolitiken och öronproppar för komfort. Att lokalisera och markera den första punkten av stimulering, först identifiera Inion och sedan flytta ~ 2cm rostrally och ~ 2 cm i sidled (figur 1). Alternativt kan en ramlösa stereotaxic systemet användas för att placera TMS spolen över riktade kortikala regionen.
2. Med en vanlig åttaformade (dubbel) TMS spole (70mm), placera i mitten av spolen direkt över den plats som fastställs i föregående steg. Spolen bör hållas tangerar ytan i hårbotten och orienterade i en medial mot laterala orientering med handtaget vänd bort från mittlinjen (figur 2).
3. När deltagaren är klar, tillämpa en enda puls på 60% intensitet utgång. Be deltagaren att beskriva någon visuell känsla de kan ha uppfattat. Deltagare som är naiva att fosfener kan ha nytta av att bära en ögonbindel. Om ingen phosphene rapporterades, flytta spolen och åter överlämna en puls. Om deltagaren fortfarande inte rapportera en phosphene, fortsätta leverera pulser var 7 till 10 sekunder (~ 0,1 Hz), öka intensiteten med 5% efter vart femte försök till 100% intensitet uppnås.
4. När deltagaren redovisar en phosphene be honom eller henne att i detalj beskriva vad de uppfattade inklusive färg, form och placering. Obs: fosfener ska visas i den kontralaterala synfältet till halvklotet som stimuleras. Till exempel om TMS appliceras över den högra syncentrum bör fosfener uppfattas i vänster synfält.
5. När fosfener tillförlitligt sätt redovisas, markera platsen för spolen på simma cap.

2. Skaffa en Phosphene tröskelvärde för Right nackloben

1. Leverera en serie pulser på samma spole läge och orientering enligt ovan. Be deltagaren att bekräfta förekomsten av den inducerade phosphene.
2. Leverera pulser var 7 till 10 sekunder (~ 0,1 Hz). Instruera deltagaren att rapportera efter varje puls, oavsett om en phosphene uppfattades hjälp av följande kriterier: med ett "ja" ett otvetydigt uppfattas phosphene, "nej" avsaknad av visuell perception, "kanske" om de inte är säker. En "kanske" svar bör inte räknas som ett positivt svar vid fastställande av tröskelvärdet.
3. Justera stimulering intensitet, vilket ger 10 pulser vid varje intensitetsnivå, tills en phosphene tröskelvärde fastställas. Tröskeln är definierad som den lägsta intensiteten av stimulering där deltagaren rapporter entydiga fosfener för minst femtio procent av levererade pulser.

3. Använda LTaP System (Figur 3) att bestämma storlek och placering fosfener på olika fästpunkter

1. Seat deltagaren så att nasion (området mellan ögonen) är ca 30 cm från centrum på duken.
2. För att vänja deltagaren till LTaP systemet, ge dem laserpekare och instruera dem att öva spårning siffror som liknar uppfattas fosfener. Om deltagaren behöver mer träning, kan du be deltagaren att rikta lasern pekar på angivna platser på filmduken. När deltagaren är bekant med LTaP systemet och kan exakt rita former på skärmen, leverera en serie av TMS pulser till platsen markerade i föregående steg tillräckligt för att framkalla en synlig phosphene. Be deltagaren att spåra eller en förlaga som den upplevda phosphene på filmduken med laserpekaren.
3. I de tre provningsförhållanden stimulusintensitet ska vara 120% av den fastställda tröskelvärdet. Till exempel, om det fastställda gränsvärdet är 65% bör stimulusintensitet värdet sättas till 78%. Spolen läge och orientering är desamma som fastställs och beskrivs i stegen ovan.
4. I den första av de tre testförhållanden, har deltagaren direkt blicken mot en central fixering punkt. Efter att ha levererat en puls instruerar deltagaren att spåra eller beskriva de upplevda phosphene med laserpekaren. Leverera en serie pulser tillräckligt för att framkalla tio fosfener.
5. I det andra testet skick, har deltagaren direkt blicken mot en fixering punkt som är förhöjda 45 ° från det centrala fixering punkt. Upprepa det protokoll som beskrivs för det första villkoret.
6. I det tredje försöket skick, har deltagaren direkt blicken mot en fixering punkt som är placerad 45 ° till höger om den centrala fixering punkt. Upprepa det protokoll som beskrivs för det första villkoret.

4. Data Enalysis

1. Efter genomförandet av studien uppgifter som erhållits från LTaP systemet kan analyseras. Resultatet av den LTAP består av en. Xml-fil inklusive färgkodade XY-koordinater med tidsstämpel för varje post spårning. Analysera data för att upptäcka skiftet i phosphene position i förhållande till förskjutning av blicken.

5. Representativa resultat

När TMS spolen placeras över den högra hjärnhalvan alla fosfener bör observeras i vänster synfält. När deltagarna i uppdrag att titta rakt fram, är fosfener vanligen finns i det nedre vänstra synfältet. Fosfener skulle flytta i enlighet med den förskjutning i visuell blick (antingen 45 ° vertikalt eller horisontellt från centrala fixering) (Figur 4).

Figur 1. Lokalisera och markera den initiala stimulans sajten. För occipital visuell områden, den initiala stimulans plats (en) finns vanligen ~ 2 cm dorsalt och ~ 2 cm i sidled från Inion (B).

Figur 2. Placera spolen för stimulering. Centrum spolen hålls tangerar hårbotten på platsen för stimulering. För att minska en oavsiktlig spridning av stimulering, orientera handtaget på spolen från mittlinjen.

Figur 3. Den LTaP (Laser Tracking och målning) systemet. En deltagare (a) sitter framför en skärm för (B). Efter stimulering av TMS spolen (c), använder deltagaren en laserpekare (d) att dra upplevda fosfener på skärmen (d). En bakåtvänd webbkamera (e) registrerar lasern och matar den till en dator (f) kör LTaP programvara. Uppgifterna är då projiceras tillbaka till skärmen via en bakåtvänd projektor (g).

Figur 4. Efterbearbetning av LTaP data. Placeringen och storleken på den upplevda fosfener (vit form) visas i förhållande till placeringen av fixeringen, vilket indikeras av hårkorset.

Discussion

I den här filmen har vi visat ett standardprotokoll för att få en phosphene tröskelvärde och infört en ny metod för inspelning phosphene storlek och synfält plats. Fosfener var framkallades genom att leverera enskilda pulser av TMS till höger occipital cortex anslutning till occipital stolpen. Phosphene tröskelvärden ger en värdefull indikation på relativ kortikala retbarhet, och har använts både som ett effektmått och som ett sätt att bestämma lämplig intensiteten av TMS i olika studier av mänskliga visuell perception ^8-12.

Fosfener inducerad av TMS ge en inneboende och icke-invasiv åtgärd för att undersöka det visuella systemet. Men det är ett inneboende problem i konsekvent inspelning och kvantifiera data. Det LTaP Systemet har utvecklats för att möta denna utmaning och ger en metod för inspelning fosfener som objektiva och mätbara uppgifter. Med hjälp av en webbkamera, registrerar LTaP den punkt på filmduken som produceras av laser. Dessa punkter är översatta till en serie av XY-koordinater som registreras i realtid och samtidigt projiceras tillbaka till skärmen, vilket ger deltagaren med momentan återkoppling.

I ett svagt upplyst rum fick deltagarna sitta direkt framför en filmduk och instrueras att spåra den upplevda phosphene på skärmen med hjälp av en laserpekare. Flera fosfener var framkallade medan deltagare instruerades att hålla fixering i tre olika platser: i mitten av skärmen, i 45 ° höjd från den centrala punkten och 45 ° till höger om centrala fixering. I varje fall var resultatet överensstämmer med den förväntade platsen för den upplevda phosphene. När TMS har applicerats på den högra hjärnhalvan alla fosfener observerades i vänster synfält, i överensstämmelse med retinotopic organisation av det visuella systemet. Som fixering förändrats, var platsen för inspelade fosfener förutsägbart förskjutas i riktning mot blick.

När den används tillsammans med andra forskningsmetoder det LTaP systemet kan kraftigt öka nyttan av experimentell design som utnyttjar fosfener att söka det visuella systemet. Flera fördelar är uppenbara: utvecklingen av systemet är kostnadseffektivt och lätt att reproducera, registrering data över flera försök i en enda databas tillförlitligt underlättar komplex efter analys som annars skulle bli svårt. Viktigast deltagarna har möjlighet att omedelbart och konsekvent spela uppfattas fosfener över ett stort synfält (~ 108 °) utan att flytta, och därmed förändra deras ram-of-referens, mellan studier. Möjligheten att jämföra och analysera fosfener över ämnen och under olika experimentella förhållanden kommer att öka vår förståelse av hjärnan och det visuella systemet. Dessutom, medan LTaP systemet utvecklades för att ta itu med ett specifikt problem är dess användbarhet långtgående och som gäller för andra områden inom neurovetenskap eller andra orelaterade fält.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
TMS	Magstim	Magstim 200
Webcam	Logitech	QuickCam Orbit MP
Projector	Epson	Epson PowerLite 7900p
Projection Screen	DA LITE	Da-View fast-fold deluxe screen
Laser Pointer	Generic