Summary
Auditieve verwerking is de basis van spraak en muziek-gerelateerde verwerking. Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is met succes gebruikt voor de cognitieve, sensorische en motorische systemen te bestuderen, maar zelden is toegepast om auditie te doen. Hier onderzochten we TMS gecombineerd met functionele Magnetische Resonantie Imaging aan de functionele organisatie van de auditieve cortex te begrijpen.
Abstract
Auditieve cortex betrekking heeft op de verwerking van geluid, dat aan de basis ligt van spraak of muziek-gerelateerde verwerking 1. Echter, ondanks aanzienlijke recente vooruitgang, de functionele eigenschappen en lateralisatie van de menselijke auditieve cortex zijn nog lang niet volledig begrepen. Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een niet-invasieve techniek die kan tijdelijk of blijvend corticale prikkelbaarheid moduleren via de toepassing van gelokaliseerde magnetische veld pulsen, en vertegenwoordigt een unieke methode van het verkennen van plasticiteit en connectiviteit. Het is pas onlangs begonnen toe te passen op auditieve corticale functie 2 te begrijpen.
Een belangrijk probleem bij het gebruik van TMS is dat de fysiologische gevolgen van de stimulatie moeilijk te bepalen. Hoewel veel studies TMS maken de impliciete aanname dat het gebied waarop het spoel het getroffen gebied, hoeft dit niet het geval, vooral voor complexe cognitieve functies which afhankelijk van interacties in vele gebieden van de hersenen 3. Een oplossing voor dit probleem is om TMS te combineren met functionele magnetische resonantie imaging (fMRI). Het idee hier is dat fMRI zal een index van veranderingen in hersenactiviteit geassocieerd met TMS. Zo zou fMRI geven een onafhankelijke manier is om de welke gebieden worden beïnvloed door TMS en hoe ze worden gemoduleerd 4. Bovendien fMRI worden nagegaan of functionele verbinding, die een maat is voor de tijd koppeling tussen gelegen gebieden vertegenwoordigt. Het kan dus nuttig zijn om niet alleen de netto activiteit geïnduceerd door modulatie TMS in bepaalde locaties, maar ook de mate waarin het netwerk eigenschappen worden beïnvloed door TMS, via alle waargenomen veranderingen in functionele connectiviteit meten.
Verschillende benaderingen bestaan om TMS en functionele beeldvorming op basis van de tijdelijke orde van de methoden te combineren. Functionele MRI kan worden toegepast voor, tijdens, na of zowel voor als na TMS. Onlangs, Sommige studies interleaved TMS en fMRI om online in kaart brengen van de functionele veranderingen bij TMS 5 tot 7 te bieden. Maar deze online combinatie heeft vele technische problemen, waaronder de statische artefacten als gevolg van de aanwezigheid van de TMS spoel in de scanner kamer of het effect van TMS pulsen op het proces van MR beeldvorming. Maar vooral de luid akoestisch lawaai veroorzaakt door TMS (verhoogd vergeleken met standaard gebruik vanwege de resonantie van de scanner boring) en het verhoogde TMS spoel trillingen (veroorzaakt door de sterke mechanische krachten door het statische magnetische veld van de MR scanner) vormen een cruciaal probleem bij het bestuderen van auditieve verwerking.
Dit is een reden waarom fMRI werd uitgevoerd voor en na TMS in de huidige studie. Vergelijkbare benaderingen zijn gebruikt om de motorische cortex 8,9, premotorische cortex 10, primaire somatosensorische cortex 11,12 en taal-gerelateerde gebieden 13 richten, Maar tot nu toe geen gecombineerd TMS-fMRI studie heeft onderzoek gedaan naar de auditieve cortex. Het doel van dit artikel is om details over het protocol en de overwegingen die nodig zijn om succesvol te combineren deze twee neurowetenschappelijke instrumenten om auditieve verwerking te onderzoeken.
Eerder toonden we aan dat repetitieve TMS (rTMS) bij hoge en lage frequenties (resp. 10 Hz en 1 Hz) die boven de auditieve cortex gemoduleerde responstijd (RT) in een melodie discriminatie taak 2. We toonden ook aan dat de RT modulatie was gecorreleerd met functionele connectiviteit in het auditieve netwerk beoordeeld met behulp van fMRI: hoe hoger de functionele connectiviteit tussen links en rechts auditieve cortex tijdens de taakuitvoering, hoe hoger de faciliterende effect (verlaagd RT) waargenomen met rTMS. Maar deze bevindingen waren voornamelijk correlationeel, zoals fMRI werd uitgevoerd voor rTMS. Hier werd fMRI uitgevoerd vóór en onmiddellijk na TMS direct maatregelen voorzienvan de functionele organisatie van de auditieve cortex, en meer bepaald van de plastic reorganisatie van het auditieve neurale netwerk die zich na de neurale tussenkomst door TMS.
Gecombineerd fMRI en TMS toegepast over de auditieve cortex in staat moet stellen een beter begrip van de hersenen mechanismen van auditieve verwerking, het verstrekken van fysiologische informatie over functionele effecten van TMS. Deze kennis kan nuttig zijn voor vele cognitive neuroscience toepassingen, als voor een optimaal therapeutische toepassingen van TMS, met name auditieve aandoeningen.
Protocol
Het protocol bestaat uit een tweedaagse (niet noodzakelijkerwijs opeenvolgende). De eerste dag bestaat uit een fMRI localizer samengesteld met een anatomische en functionele MRI-scans om voor elke deelnemer de gebieden die moeten worden gericht met TMS. De tweede dag bestaat uit de fMRI sessies pre-en post-TMS waar TMS wordt toegepast in de scanner met behulp van een speciale MR compatibel TMS spoel (Magstim Ltd, Wales, UK) en een frameloze stereotactische systeem (Brainsight). Deze wordt gebruikt om in real-time de TMS spoel corticale gebieden ten opzichte van anatomische en functionele gegevens van elke deelnemer.
1. Localizer Sessie
- Begin met het verwerven van een hoge-resolutie anatomische afbeelding van uw deelnemer.
- Vervolgens verwerft functionele beelden met een gradiënt echo EPI impuls en een dunne bemonstering paradigma om elke BOLD effect of gehoormaskeringskromme door MRI scan ruis 14,15 minimaliseren. In ons geval wordt fMRI uitgevoerd dijdens een melodie taak waarbij deelnemers te bepalen of twee opeenvolgende 5-noot melodieën hetzelfde of verschillend 2,16. Een non-discriminatie auditieve controle taak is ook opgenomen, waarin onderwerpen hoort twee gelijke lengte patronen van vijf noten, allemaal op dezelfde toonhoogte C5 en krijgen de opdracht om op de linkerknop na de tweede stimulus klikken. Periodes van stilte worden ook willekeurig ingevoegd tussen de taak proeven in elke run. In totaal worden 72 trials gepresenteerd in willekeurige volgorde: 24 proeven van de melodie discriminatie, 24 auditieve controle proeven en 24 perioden van stilte, voor een totale duur van 12 min. 16 sec.
- Definieer de stimulatie site met behulp van anatomische en / of functionele bezienswaardigheden. Men moet beseffen dat TMS beperkt is wat betreft de diepte van de stimulatie plaats omdat de demping van de elektrische veldsterkte in diepte en kan niet verwachten gebieden dieper dan 3 cm 6,17 bereiken. Een belangrijke stap is vergelijkbaar oriëntatiepunten voor elk deelicipant, hetgeen moeilijk kan zijn vanwege de verschillen in anatomie en functie tussen deelnemers. Hier richten we ons op Heschl's gyrus in elke deelnemer, gelokaliseerd met behulp van zowel anatomische en functionele bezienswaardigheden. We maken gebruik van maskers van gyrus Heschl's die door de Harvard-Oxford structurele atlassen ( http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html ) en de TMS doel wordt individueel bepaald door de piek van activering binnen de Heschl de gyrus 2. Daarnaast hebben wij tevens de vertex positie, die wordt gebruikt als een controle plaats om te controleren voor niet-specifieke effecten van TMS als akoestische en somatosensorische artefacten. De vertex is anatomisch gedefinieerd als een punt midden tussen de Inion en de brug van de neus, en op gelijke afstand van de rechter en linker intertragal inkepingen. De volgorde van de site van de stimulatie (dat wil zeggen Heschl's gyrus of vertex) wordt gecompenseerd overindividuen.
2. Pre-en post-TMS fMRI Experiment
Pre-TMS fMRI sessie
- Bereid de deelnemer om direct naar de scanner. Dit geldt ook voor het verwijderen van metaal en het vullen van de TMS-en MR-screening vorm.
- Start de MR overname met een anatomische en functionele scans (identiek aan die uitgevoerd in de localizer sessie, zie hoofdstuk 1).
Frameless stereotaxie en TMS in de MRI-omgeving
De frameloze stereotaxie systeem bestaat uit een infrarood camera (Polaris Spectra), een aantal tools en trackers (Brainsight) gebruikt voor de registratie procedure en een computer. De computer is gelegen buiten de scanner kamer, maar bij de ingang van de kamer en de scanner scanner deur blijft geopend gedurende de TMS toepassing. De instrumenten en trackers MR verenigbaar en het statief (zelfgemaakte) ondersteunen de infrarood camera en therefore gebruikt in de scanner kamer. De infraroodcamera is niet MR-compatibel, en daarom wordt zodanig in de scanner kamer, bij scanner deur ongeveer twee meter van de scanner bed (zie discussie veiligheid procedure). De TMS stimulator-systeem zich in een ruimte grenzend aan de MRI scanner kamer. We gebruiken een MRI-compatibel TMS spoel zich in de scanner en aangesloten op de TMS systeem via een 7-m kabel door een RF filterbuis.
- Laad uw deelnemer anatomische en functionele beelden en het stimuleren van de kerndoelen in de stereotactische softwarepakket (bijv. Brainsight). Hier zullen we gericht op de juiste Heschl de gyrus.
- Na de pre-TMS fMRI overname, verwijder de bovenste MR hoofd spoel een deel van de 32-kanaals head coil (bij gebruik van de Siemens 3T scanner en de 32-kanaals head coil configuratie).
- Schuif vervolgens naar beneden de deelnemer op de scanner bed.
- Bevestig de hoofdband en tracker set op de Participmier hoofd.
- Monteer de multi-jointed arm aan op de scanner bed en bevestig de MR compatibel TMS spoel op de arm.
- Controleren of alle trackers en de spoel in het gezichtsveld van de camera. Hier wordt de camera iets naar rechts van de deelnemer gemakkelijker volgen van de spoel staat verplaatsingen bij het targeten de rechter hemisfeer.
- Kalibreer uw onderwerp het hoofd met de stereotaxie tools (dat wil zeggen pointer tool). Dit wordt gedaan door coregistering verschillende bezienswaardigheden op het hoofd van de deelnemer (bijvoorbeeld in ons geval de punt van de neus, de nasion en de tragus van beide oren) met dezelfde oriëntatiepunten op de anatomische gegevens. In deze procedure worden twee onderzoekers nodig, een dicht bij het hoofd van de deelnemer op de aanwijzer positioneren op het hoofd van de deelnemer, en de andere onderzoeker aan de ingang van de scanner kamer naar de registratie op de computer.
- Plaats de MR compatibel TMS spoel raakt aan thij hoofdhuid en spoel trackers gericht de infrarood camera. De spoel is georiënteerd met de spoel handvat naar achteren en evenwijdig aan de middellijn 2. Bevestig de spoel positie met behulp van de schroeven op de multi-jointed-arm.
- In de kamer naast de MRI-scanner, schakel het TMS-systeem en beginnen stimulatie. TMS wordt toegepast na een patroon protocol, dat wil zeggen, continue theta burst stimulatie (cTBS) bestaat in 3 pulsen bij 50 Hz, herhaald op 5 Hz voor 40s. We maken gebruik van een vaste stimulatie-intensiteit (41%), gedefinieerd door de stimulator uitgang 18,19. We kozen voor dit protocol is aangetoond te moduleren corticale plasticiteit voor een duur tot 30 minuten na beëindiging stimulatie in gezonde populaties 20, (zie bespreking sectie voor veiligheid procedure).
Post-TMS fMRI sessie
- Zodra stimulatie voltooid, is het belangrijk om het voorwerp terug naar de scanner zo spoedig mogelijk. Verwijder de TMS spoel van de scanner kamer, en verwijder de multi-jointed-arm. Schuif de deelnemer hoofd in de MR hoofd spoel. Zorg ervoor dat uw scanner is voorbereid en klaar om te gaan. Ons advies is om het lichaam geheven platform gedurende de hele TMS sessie te houden, en het aantal en de duur van localizer scans tot een minimum beperkt.
- Omdat de effecten van rTMS zijn van voorbijgaande aard, moet de definitieve scan-sessie te starten met de functionele scan. Nogmaals, voerden we fMRI tijdens een 12-minuten lopen van de melodie taak.
- Na de laatste scan voltooid is, eindigen met een anatomische scan.
3. Representatieve resultaten
Analyses van fMRI worden afzonderlijk uitgevoerd voor zowel de pre-en post-TMS fMRI sessie. Voor elke fMRI sessie (dat wil zeggen, pre-en post-TMS), het contrast tussen de melodieën en de auditieve controletaak toont taakgerelateerde activiteit in de linker en rechter Heschl's gyri, superieure temporale gyri, inferieure frontale gyri en precentrale gyri (Figuur 1 A, B). Verschillen tussen pre-en post-TMS fMRI sessies te evalueren, we een willekeurig effect analyse met gepaarde Student's t-test. Significantie wordt bepaald volgens clusters geïdentificeerd door az> 2 drempel en een gecorrigeerde cluster drempel van p = 0,05. Figuur 1 C de contrast post-minus-pre cTBS voor een deelnemer. De gegevens suggereren dat cTBS gericht op de juiste Heschl de gyrus (zwarte cirkel) verhoging van fMRI respons in de contralaterale (linker) auditieve cortex, inclusief de linker gyrus Heschl's induceert. Veranderingen in fMRI reactie worden ook gevonden in de linker postcentralis gyrus, links insula en in de laterale occipitale cortex bilateraal. Echter geen significante verandering in fMRI respons gezien onder de spoel. Daarnaast wordt een soortgelijke gecombineerde TMS-fMRI protocol herhaald om de vertex (controleplaats) stimuleren. Vergelijking van pre-en post-fMRI sessies cTBS aangebracht op de vertex vertoonde geen significant effect (data niet getoond).
Figuur 1. Analyse van individuele pre-TMS fMRI data (A), post-TMS fMRI data (B) en post-minus-pre TMS fMRI data (C). A. Resultaten van de melodie contrast discriminatie minus auditieve controle experimenten gedurende enkele deelnemer in de pre-TMS fMRI zitting (A) en in de post-TMS fMRI zitting (B). Van links naar rechts: axiale, coronale en sagittale uitzicht. In zowel (A) en (B), de TMS spoel gericht op de juiste Heschl de gyrus (zwarte cirkel) zich op x = 54, y = -13, z = 1 (MNI152 standaard ruimte). Voor zowel pre-en post-TMS fMRI sessies worden coördinaten weergegeven x = -54, y = -13, z = 1 (MNI152 standaard ruimte) veranderingen in de linker hersenhelft laten op de plaats van stimulatie (bijv. rechts Heschl de gyrus ). C. Resultaten van het contrast post-minus-pre TMS fMRI sessies met gepaarde Student's t-test.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
We beschrijven een protocol combineert offline TMS en fMRI om de functionele organisatie van de auditieve cortex te onderzoeken. In de volgende paragrafen bespreken we de methodologische factoren te overwegen bij het uitvoeren van een dergelijke aanpak.
Acquisitie en het tijdschema voor post-TMS fMRI sessie
Volgorde van scans acquisitie en tegenwicht van pre-en post-TMS fMRI sessies
Het is cruciaal om een MR anatomische scan verkrijgen voor en na TMS om een robuuste registratie tussen de twee functionele scans. Anders kan het verkregen functionele verschillen worden veroorzaakt door foutieve registratie doen problemen tussen de twee scans functionele plaats van TMS geïnduceerde veranderingen in fMRI signaal. Voorts werd voorafgaand aan elke fMRI-TMS-sessie (zelfs vóór de fMRI localizer sessie), is het cruciaal om de stabiliteit en herhaalbaarheid van de fMRI-signaal te evalueren, zodat een kwantitatieve vergelijkingen van fMRIreactie grootheden. In feite kan het een goed idee om wat pilots lopen, het herhalen van de scans na het verwijderen en herintroductie van het onderwerp (zonder TMS) om de mate waarin men mag verwachten verschillen als gevolg van deze factor alleen testen. De tussen-sessie vergelijking kan worden beïnvloed door aspecifieke factoren zoals TMS gewenning aan de MRI experiment context, zoals de MRI milieu, evenals de uit te voeren taak 21. Om dit probleem kon men tegenwicht voor de volgorde van de pre-en post-TMS fMRI sessies over de deelnemers te overwinnen. Bijvoorbeeld, kan men beginnen met TMS en voer vervolgens een post-TMS fMRI sessie, wacht dan een paar uur (of dagen), en het uitvoeren van de pre-TMS fMRI sessie. Dergelijke ontwerp is afhankelijk van de verwachte duur van de TMS effecten en praktische overwegingen, zoals de beschikbaarheid van het onderwerp en van de MR-scanner. Een andere benadering is het gebruik van sham of placebo stimulaties, maar het gebruik ervan is nog steeds gedebatteerd omdat ze misschien nietbieden dezelfde akoestische en somatosensorische sensaties (bijvoorbeeld spieren waarneembaar) als echte stimulatie en sham TMS is aangetoond dat soortgelijke effecten als een echte stimulatie 22-24 hebben. Een andere benadering is om TMS toe te passen op verschillende gebieden en de verschillen tussen de locaties te onderzoeken; deze vergelijking wordt ervan uitgegaan dat de niet-specifieke effecten van TMS zijn gelijkwaardig meerdere locaties 24. Bijvoorbeeld kan de vertex worden aangestuurd voor akoestische en somatosensorische artefacten die TMS begeleiden zoals hier getoond.
Timing van scan overname
Omdat de effecten van rTMS vergankelijk zijn, is het belangrijk om het voorwerp terug naar de scanner zo spoedig mogelijk na afloop van TMS. Om deze reden hebben we een MRI-compatibele TMS spoel en toegepast TMS wanneer de deelnemer lag beneden op de glasplaat bed. Als deze apparatuur niet beschikbaar is, is het ook mogelijk om TMS passen buiten de scannerruimte
Definitie van TMS plaatsen en de diepte van het stimu ionen
Combinatie van TMS en fMRI kan worden gebruikt om corticale gebied in de prefrontale, frontale, temporale en pariëtale cortex richten. De belangrijkste beperking is dat het beoogde gebied moet toegankelijk zijn voor de TMS spoel wanneer de deelnemer wordt liggend op de scanner bed, dus achterste / occipitale gebieden niet toegankelijk zijn. De deelnemer kan zitten op het bed scanner tijdens TMS, maar in dit geval het gebruik van neuronavigatie, vooral de infraroodcamera toegang tot occipitale gebieden TMS beperken.
Een andere beperking van TMS van toepassing wanneer de deelnemer wordt liggend op de scanner bed is het gebrek aan flexibiliteit van de spoel posities en oriëntaties. Daarom in onze studie werd de TMS spoel geplaatst met de spoel handvat naar achteren en evenwijdig aan de middellijn. In een eerdere studie toonden we geen significant verschil van de spoel oriëntaties bij het stimuleren van de auditieve cortex 2.
NHOUD "> ander algemeen beperkende factor in TMS studies is de diepte van de gestimuleerde gebieden. Aangetoond is dat TMS niet bereikbare dieper dan 3 cm diepte 6,17. Derhalve in onze studie is het onwaarschijnlijk dat rTMS geïnduceerde veranderingen in het mediale deel van HG, de plaats van primaire auditieve cortex, omgekeerd, HG uitstrekt tot aan de zijrand van de bovenste temporale gyrus en dit gebied, die waarschijnlijk een rol spelen in toonhoogte verwerking 25,26 zeer waarschijnlijk doelwit van TMS. Deze overweging geldt uiteraard voor alle TMS studies. Gezien de onzekerheid of de TMS effect heeft bereikt gewenste doelwit, fMRI kan helpen om objectief vast te stellen of dit het geval is of niet.Technische overwegingen voor cTBS protocol in een MRI-omgeving
We gebruikten een cTBS protocol (50Hz), die tot nu toe altijd gebruikt buiten een MR-scanner kamer, dus zonder MR-compatibele apparatuur20,27-29. Dit is de eerste studie die cTBS toegepast in MRI-omgeving met behulp van MR compatibel TMS-apparatuur. Voor de uitvoering van een dergelijk protocol, is het belangrijk om te beseffen dat dit effectief set-up TMS-uitgang intensiteiten vermindert met ongeveer 20% te wijten aan de verhoogde impedantie van de verlengde MR-compatibele bekabeling loopt van de stimulator aan de spoel 30. Bovendien kan deze uitgang beperking meer van belang zijn voor bepaalde landen (bv. 115V voeding in Canada ten opzichte van 230V voeding in Europa). Daarom, als je gebruik maakt van Magstim apparatuur, moet u mogelijk een extra module (Rapid-2 Plus One Module) verwerven om de kracht van uw systeem te verhogen. Een andere beperking van gecombineerde TMS en fMRI omvat het gebruik van de frameloze stereotaxie in de MR kamer, de infrarood camera moet worden geplaatst op een veilige afstand van de boring van het MR scanner en derhalve kunnen grote meetruimte (> bieden twee mters). Dit is de reden waarom wij kozen voor de Polaris spectra (NDI Polaris, http://www.ndigital.com/medical/polarisfamily.php ) het verstrekken van een gezichtsveld tot drie meter. Er zijn ook MR-compatibele infrarood camera die kan worden gebruikt (bijvoorbeeld MRC Systems GmbH, Duitsland).
Het is belangrijk op te merken dat cTBS protocol kan niet online worden toegepast tijdens het continu fMRI overname. Zoals we eerder getest 31 en ook door Bestmann et al.. 32, is een stille periode van 90 ms nodig na elke TMS puls naar artefacten op het MR-beelden als gevolg van lekstromen via de TMS-spoel tijdens het opladen periode van de stimulator te voorkomen. Continu TBS is samengesteld uit treinen van drie pulsen bij 50 Hz (20 ms tussen de pulsen), gescheiden door 200 ms, dan ook onwaarschijnlijk om te passen in een fMRI overname. Bovendien wordt cTBS meestal alleen toegepast tijdens 40s (600 pulsen), which staat niet toe dat veel herhalingen van EPI sequenties. Continu TBS-protocol is ook zeer lawaaierig dat moet leiden tot een sterke neurale activiteit in de auditieve gebieden, en dus misschien niet geschikt voor het onderzoeken van auditieve verwerking. Echter kunnen andere modaliteiten van TBS, zoals intermitterende of tussenproducten TBS worden toegepast met een geschikt lange TR 20.
Veiligheid van gecombineerde cTBS en fMRI
Veiligheid van cTBS
Continu TBS heeft de theoretische mogelijkheden van verlenen van een hoger risico van inbeslagneming dan andere repetitieve TMS protocollen, omdat het zorgt voor een hoge frequentie uitbarstingen (50Hz) en moet daarom met voorzichtigheid worden gebruikt 33. Een arts of verpleegkundige die ervaring heeft met rTMS en is bedreven in het beheer van de aanvallen moet binnen bereik van de rTMS laboratorium wanneer een deelnemer wordt onderzocht. Een geval van beslag met behulp van cTBS is gemeld bij een gezonde manzonder risicofactoren voor epilepsie 34, waar ze een hogere intensiteit (dat wil zeggen 100% rust motor drempel) gebruikt dan in het oorspronkelijke protocol 20 (dat wil zeggen 80% actieve motor drempel). De te volgen procedure bij een aanval wordt beschreven in de veiligheidsvoorschriften 35,36.
MR compatibele tools
Wanneer TMS wordt toegepast in de MR-scanner kamer, is het cruciaal dat alle instrumenten die worden gebruikt in de scanner zijn MR-compatibel. Hier, de multi-jointed-arm (custom-built) om de TMS spoel monteren was MR-compatibel (gemaakt met Acetaal en polycarbonaat), en passen binnen de MR bed specificaties. De multi-scharnierarm is bijzonder bruikbaar voor langere stimulering in de flexibele positionering van de spoel, en maakt rotatie in meerdere richtingen. De trackers (Brainsight) gebruikt voor het positioneren en het bijhouden van zijn MR-compatibel. De infrarood camera (Polaris) is in de MR-scanner kamer, maarbewaard op een veilige afstand van de MR-scanner (ten minste twee meter van de scanner bed). Hier geen afscherming van de infrarood camera nodig omdat op deze afstand, het magnetisch veld van 0,3 mT (3 Gauss) (persoonlijke communicatie met ingenieur Siemens, 37,38), die kleiner is dan een koelkastmagneet (50 Gauss). Ten aanzien van de TMS stimulator systeem, hebben we gebruik gemaakt van een draagbaar apparaat, die is opgericht in een observatie-suite naast de scanner.
Parameters van stimulatie
De eerste cTBS studie bij de mens was door Huang et al.. 20 die uitbarstingen van 3 pulsen toegepast bij 50 Hz, herhaald op 5Hz over de primaire motorische cortex, bij 80% actieve motor drempel. Hier, omdat we cTBS om Heschl de gyrus richten, redeneerden we dat het gebruik van de werkzame motor drempel als referentie maatregel kan een goede indicator gevoeligheid van deze hersengebied. Daarnaast gebruikten we cTBS in de MR milieu, en deze opstelling effectief vermindert uitgang intensiteiten met ongeveer 20% (zie de vorige paragrafen). Als referentie, de studie van Bestmann et al. 39. Met behulp van een gelijkaardige set-up (dat wil zeggen Magstim systeem met een MR-compatibele TMS spoel) rapporteerde een gemiddelde intensiteit van de stimulatie van de 42% maximale stimulator output in 12 deelnemers die overeenkomt met 70% afzonderlijke werkzame motor drempel. Hier hebben we 41% van de stimulator output, dat is dus vergelijkbaar met eerdere cTBS studies en past binnen de veiligheidsrichtlijnen voor cTBS gebruik gebruikt, zie Oberman et al.. 40 voor beoordeling.
Ook moet worden opgemerkt dat verschillende fysische mechanismen van interacties tussen biologische weefsels en statische magnetische velden theoretisch zou kunnen leiden tot verandering van fysiologische of biochemische processen 37. Er zijn echter een aantal onderzoeken gepubliceerd melden dat deze effecten onder de drempel van betekenis 38,41,42. Bovendien in onze studie TMS was uitgevoerd off-line, wanneer de deelnemer lag beneden op de glasplaat bed-en buitenkant van de boring van de MR-scanner. In dit geval bestaat de magnetische omgeving omvat het statische magnetische veld B0 die afneemt met de afstand van de magneet, op afstand van de deelnemer, de sterkte van het magnetische veld rond 3MT (= 3 gauss, of ongeveer tien keer de sterkte van de magnetisch veld van de aarde) 37,43.
Conclusie
Gecombineerde rTMS en fMRI technieken zorgen voor kwantitatieve manier is om de TMS-geïnduceerde veranderingen in het gedrag en de onderliggende hersenactiviteit. TMS zelf in staat stelt om het gedrag ontleden in de tijd, maar er is steeds meer besef in de literatuur dat de interpretatie van de resultaten is niet zo eenvoudig als aanvankelijk werd gedacht 4,44,45. De belangrijkste reden is dat TMS veranderingen in neurale activiteit in de gestimuleerde induceert, maar ook in afgelegen gebieden van de gestimuleerde site, en een gedragswijziging caNnot geven informatie met betrekking tot de onderliggende veranderingen in de functionele activiteit en connectiviteit.
Daarom wordt in onze studie, werd fMRI uitgevoerd voor en na TMS. We toonden aan dat continue theta burst stimulatie aangebracht op de rechter gyrus Heschl's induceerde een stijging in fMRI respons in de homologe gebieden in de contralaterale hemisfeer. Deze bevinding is in lijn met eerdere studies op visuele of taalverwerking die een rol van de homologe gebieden in de contralaterale hemisfeer na TMS-geïnduceerde interferentie 10,13,46,47. Of dergelijke interhemisferische interacties compenserende te functioneren, of het gevolg zijn van korte termijn-plasticiteit behouden is niet goed begrepen en verder onderzoek is nodig om de aard van dergelijke mechanismen te begrijpen.
Gecombineerde TMS en off-line fMRI opent nieuwe perspectieven om functionele activering patronen en connectiviteit te onderzoeken in de neurale netwerken en is ook bijzonder nuttig to evalueren mogelijke reorganisatie of corticale plasticiteit. Bovendien kan deze combinatie ook worden gebruikt om te evalueren en langdurige klinische follow-up beoordelen audiologische, neurologische of psychiatrische stoornissen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Geen belangenconflicten verklaard.
Acknowledgments
CIBC fellowship (JA) en NSERC subsidie (RZ). We zijn dankbaar voor Roch M. Comeau (Brainsight) voor zijn hulp met betrekking tot de infrarood camera, de MR compatibele trackers en andere hardware-ondersteuning. We zijn ook dankbaar Brian Hynes (Hybex Innovations Inc) die de multi-jointed arm voor spoel houder en een aantal van de cijfers weergegeven in de video. En een speciaal woord van dank aan alle MR-technici en M. Ferreira uit de McConnell Brain Imaging Centre van het Montreal Neurological Institute die ons hebben geholpen optimaliseren van het ontwerp van het experiment.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Transcranial magnetic stimulation | Magstim super Rapid2 stimulator, Rapid-2 Plus One Module | Magstim Ltd., Wales, UK | |
| Coil for magnetic stimulation | MRI-compatible 70 mm figure-of-eight-coil | Magstim Ltd., Wales, UK | |
| Magnetic resonance imaging | 3-T Siemens Trio scanner, 32-channel Head Coil | Siemens, Inc., Germany | |
| Frameless Stereotaxy | Brainsight | Rogue Research Inc., Montreal, Canada | |
| Optical measurement system | Polaris Spectra | Northern Digital Inc, Ontario, Canada | |
| Multi-jointed arm for coil holder | Standard | Hybex Innovations Inc., Anjou, Canada | |
| MRI-Compatible Insert Earphones | Sensimetrics, Model S14 | Sensimetrics Corporation, MA, USA |
References
- Winer, J. A., Schreiner, C. E. The Auditory Cortex. , (2011).
- Andoh, J., Zatorre, R. J. Interhemispheric Connectivity Influences the Degree of Modulation of TMS-Induced Effects during Auditory Processing. Frontiers in psychology. 2, 161 (2011).
- Siebner, H. R., Hartwigsen, G., Kassuba, T., Rothwell, J. C. How does transcranial magnetic stimulation modify neuronal activity in the brain? Implications for studies of cognition. Cortex. 45, 1035-1042 (2009).
- Ruff, C. C., Driver, J., Bestmann, S. Combining TMS and fMRI: from 'virtual lesions' to functional-network accounts of cognition. Cortex; a journal devoted to the study of the nervous system and behavior. 45, 1043-1049 (2009).
- Bestmann, S. Mapping causal interregional influences with concurrent TMS-fMRI. Exp. Brain Res. 191, 383-402 (2008).
- Bohning, D. E. BOLD-fMRI response to single-pulse transcranial magnetic stimulation (TMS. Journal of magnetic resonance imaging : JMRI. 11, 569-574 (2000).
- de Vries, P. M. Changes in cerebral activations during movement execution and imagery after parietal cortex TMS interleaved with 3T MRI. Brain research. 1285, 58-68 (2009).
- Cardenas-Morales, L., Gron, G., Kammer, T. Exploring the after-effects of theta burst magnetic stimulation on the human motor cortex: a functional imaging study. Human brain mapping. 32, 1948-1960 (2011).
- Grefkes, C. Modulating cortical connectivity in stroke patients by rTMS assessed with fMRI and dynamic causal modeling. NeuroImage. 50, 233-242 (2010).
- O'shea, J., Johansen-Berg, H., Trief, D., Gobel, S., Rushworth, M. F. S. Functionally specific in human premotor reorganization cortex. Neuron. 54, 479-490 (2007).
- Pleger, B. Repetitive transcranial magnetic stimulation-induced changes in sensorimotor coupling parallel improvements of somatosensation in humans. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 26, 1945-1952 (2006).
- Tegenthoff, M. Improvement of tactile discrimination performance and enlargement of cortical somatosensory maps after 5 Hz rTMS. Plos Biology. 3, 2031-2040 (2005).
- Andoh, J., Paus, T. Combining functional neuroimaging with off-line brain stimulation: modulation of task-related activity in language areas. Journal of cognitive neuroscience. 23, 349-361 (2011).
- Belin, P., Zatorre, R. J., Hoge, R., Evans, A. C., Pike, B. Event-related fMRI of the auditory cortex. Neuroimage. 10, 417-429 (1999).
- Hall, D. A. "Sparse" temporal sampling in auditory fMRI. Human Brain Mapping. 7, 213-223 (1999).
- Foster, N. E., Zatorre, R. J. A role for the intraparietal sulcus in transforming musical pitch information. Cereb Cortex. 20, 1350-1359 (2010).
- Bohning, D. E. Mapping transcranial magnetic stimulation (TMS) fields in vivo with MRI. Neuroreport. 8, 2535-2538 (1997).
- Corthout, E., Uttl, B., Walsh, V., Hallett, M., Cowey, A. Timing of activity in early visual cortex as revealed by transcranial magnetic stimulation. Neuroreport. 10, 2631-2634 (1999).
- Lewald, J., Foltys, H., Topper, R. Role of the posterior parietal cortex in spatial hearing. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 22, RC207 (2002).
- Huang, Y. Z., Edwards, M. J., Rounis, E., Bhatia, K. P., Rothwell, J. C. Theta burst stimulation of the human motor cortex. Neuron. 45, 201-206 (2005).
- Loubinoux, I. Within-session and between-session reproducibility of cerebral sensorimotor activation: a test--retest effect evidenced with functional magnetic resonance imaging. Journal of cerebral blood flow and metabolism : official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 21, 592-607 (2001).
- Lisanby, S. H., Gutman, D., Luber, B., Schroeder, C., Sackeim, H. A. Sham TMS: intracerebral measurement of the induced electrical field and the induction of motor-evoked potentials. Biological psychiatry. 49, 460-463 (2001).
- Loo, C. K. Transcranial magnetic stimulation (TMS) in controlled treatment studies: are some "sham" forms active. Biological psychiatry. 47, 325-331 (2000).
- Robertson, E. M., Theoret, H., Pascual-Leone, A. Studies in cognition: the problems solved and created by transcranial magnetic stimulation. J. Cogn. Neurosci. 15, 948-960 (2003).
- Puschmann, S., Uppenkamp, S., Kollmeier, B., Thiel, C. M. Dichotic pitch activates pitch processing centre in Heschl's gyrus. NeuroImage. 49, 1641-1649 (2010).
- Johnsrude, I. S., Penhune, V. B., Zatorre, R. J. Functional specificity in the right human auditory cortex for perceiving pitch direction. Brain : a journal of neurology. 123, 155-163 (2000).
- Di Lazzaro, V. The physiological basis of the effects of intermittent theta burst stimulation of the human motor cortex. The Journal of physiology. 586, 3871-3879 (2008).
- Stagg, C. J. Neurochemical effects of theta burst stimulation as assessed by magnetic resonance spectroscopy. Journal of neurophysiology. 101, 2872-2877 (2009).
- Todd, G., Flavel, S. C., Ridding, M. C. Priming theta-burst repetitive transcranial magnetic stimulation with low- and high-frequency stimulation. Experimental brain research. Experimentelle Hirnforschung. Experimentation cerebrale. 195, 307-315 (2009).
- Bestmann, S., Baudewig, J., Siebner, H. R., Rothwell, J. C., Frahm, J. Subthreshold high-frequency TMS of human primary motor cortex modulates interconnected frontal motor areas as detected by interleaved fMRI-TMS. Neuroimage. 20, 1685-1696 (2003).
- Bungert, A. TMS combined with fMRI. , University of Nottingham. (2010).
- Bestmann, S., Baudewig, J., Frahm, J. On the synchronization of transcranial magnetic stimulation and functional echo-planar imaging. Journal of magnetic resonance imaging : JMRI. 17, 309-316 (2003).
- Wassermann, E. M. Use and safety of a new repetitive transcranial magnetic stimulator. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 101, 412-417 (1996).
- Oberman, L. M., Pascual-Leone, A. Report of seizure induced by continuous theta burst stimulation. Brain stimulation. 2, 246-247 (2009).
- Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin. Neurophysiol. 120, 2008-2039 (2009).
- Wassermann, E. M. Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation: report and suggested guidelines from the International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996. Electroencephalography and clinical neurophysiology. , 1-16 (1998).
- Safety Guidelines for Magnetic Resonance Imaging Equipment in Clinical Use. , Available from: http://www.mhra.gov.uk/Publications/Safetyguidance/DeviceBulletins/CON2033018 (2007).
- Yamaguchi-Sekino, S., Sekino, M., Ueno, S. Biological effects of electromagnetic fields and recently updated safety guidelines for strong static magnetic fields. Magn. Reson. Med. Sci. 10, 1-10 (2011).
- Bestmann, S. Mapping causal interregional influences with concurrent TMS-fMRI. Experimental brain research. Experimentelle Hirnforschung. Experimentation cerebrale. 191, 383-402 (2008).
- Oberman, L., Edwards, D., Eldaief, M., Pascual-Leone, A. Safety of theta burst transcranial magnetic stimulation: a systematic review of the literature. Journal of clinical neurophysiology: official publication of the American Electroencephalographic Society. 28, 67-74 (2011).
- Kangarlu, A. Cognitive, cardiac, and physiological safety studies in ultra high field magnetic resonance imaging. Magn. Reson. Imaging. 17, 1407-1416 (1999).
- Schenck, J. F. Safety of strong, static magnetic fields. Journal of magnetic resonance imaging : JMRI. 12, 2-19 (2000).
- Lee, V. S. Cardiovascular MRI: physical principles to practical protocols. , Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia. 175 (2006).
- Paus, T. Transcranial magnetic stimulation during positron emission tomography: a new method for studying connectivity of the human cerebral cortex. The Journal of neuroscience: the official journal of the Society for Neuroscience. 17, 3178-3184 (1997).
- Sack, A. T., Linden, D. E. Combining transcranial magnetic stimulation and functional imaging in cognitive brain research: possibilities and limitations. Brain Res. Brain Res. Rev. 43, 41-56 (2003).
- Ilmoniemi, R. J. Neuronal responses to magnetic stimulation reveal cortical reactivity and connectivity. Neuroreport. 8, 3537-3540 (1997).
- Thiel, A. From the left to the right: How the brain compensates progressive loss of language function. Brain Lang. 98, 57-65 (2006).
