Summary
청각 처리는 음성 및 음악 관련 처리의 기초이다. Transcranial 자석 자극 (TMS)은인지, 감각 및 모터 시스템을 공부하고 성공적으로 사용되어 왔습니다 있지만, 거의 오디션 적용되지 않았습니다. 여기 청각 피질의 기능 조직을 이해하기 위해 기능 자기 공명 영상과 함께 TMS를 조사했다.
Abstract
청각 피질 음성 또는 음악 관련 처리 (1)의 기초에 있습니다 소리의 처리에 관계된. 그러나, 상당한 최근 진행에도 불구하고, 인간의 청각 피질의 기능 속성과 lateralization 훨씬 완전히 이해되지 않도록합니다. Transcranial 자석 자극 (TMS)은 transiently 또는 lastingly 지역화 된 자기장 펄스의 응용 프로그램을 통해 대뇌 피질의 흥분을 조절 할 수있는 비 침습적 기술이며, 소성 및 연결을 탐험의 독특한 방법을 나타냅니다. 단지 최근에 청각 대뇌 피질의 기능 2를 이해하는 적용하기 시작했습니다.
TMS를 사용하는 중요한 문제는 자극의 생리적 결과가 수립하기 어려운 점입니다. 많은 TMS 연구는 코일의 대상이 지역은 면적이 영향을 것을 암시 가정을하지만,이 특히 복잡한인지 기능을 위해, whi의 경우 필요가 없습니다채널은 여러 뇌 영역 3에서 상호 작용에 따라 달라집니다. 이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 기능성 자기 공명 영상 (fMRI)으로 TMS를 결합하는 것입니다. 여기 아이디어는 fMRI는 TMS와 관련된 뇌 활동의 변화의 색인을 제공한다는 것입니다. 따라서, fMRI는 영역이 TMS 및 방법 4 변조 된 아르에 의해 영향을하는 평가의 독립적 인 방법을 제공합니다. 또한, fMRI는 먼 지역 사이의 시간적 커플 링의 측정을 나타내는 기능 연결의 평가를 할 수 있습니다. 이 때문에 기능 연결에서 관찰 된 변화를 통해 주어진 위치에서 TMS에 의해 유도 그물 활동 변조뿐만 아니라 네트워크 속성 TMS의 영향에 대한 정도를 측정하는데 유용뿐만 아니라이 될 수 있습니다.
다른 접근 방법은 방법의 시간적 순서에 따라 TMS 및 기능 영상을 결합 존재합니다. 기능성 MRI는 이후시 이전에 적용, 또는 TMS 이전과 이후 모두 할 수 있습니다. 최근에일부 연구는 5-7 TMS에 의해 유도 기능 변경의 온라인 매핑을 제공하기 위해 TMS와 fMRI를 인터리브. 그러나,이 온라인 조합은 스캐너 방에 TMS 코일, 또는 MR 이미지 형성 과정에 대한 TMS 펄스의 효과의 존재로 인해 정적 유물 등 많은 기술적 인 문제를 가지고 있습니다. 하지만 더 중요한 것은, 큰 음향 소음은 TMS (때문에 스캐너 구멍의 공명의 표준 사용에 비해 증가)와 증가 TMS 코일 진동 (MR 스캐너의 정적 자기장으로 인해 강한 기계적 힘에 의해 발생)에 의해 유도 청각 처리를 공부할 때 중요한 문제를 구성합니다.
이 fMRI는 본 연구에서 TMS 이전과 이후 실시 된 이유 중의 하나입니다. 비슷한 접근 방식은 모터 피질 8,9, premotor 피질 10, 기본 somatosensory 피질 11,12 및 언어 관련 분야 13를 타겟팅하는 데 사용 된하지만, 아직까지 결합 TMS-fMRI 연구는 청각 피질을 조사 없습니다. 이 문서의 목적은 성공적으로 청각 처리를 조사하기 위해 두 neuroscientific 도구를 결합하는 데 필요한 프로토콜 및 고려 사항에 관한 세부 정보를 제공하는 것입니다.
이전에 우리는 보여 그 멜로디 차별 작업 2에 청각 피질 변조 된 응답 시간 (RT)을 통해 적용 높고 낮은 주파수 (resp. 10 Hz에서 1 Hz에서)에서 반복적 인 TMS (rTMS). 우리는 또한 RT 변조는 fMRI를 사용하여 청각 네트워크의 기능 연결과 평가 상호 것을 보여 주었다 : 작업 수행시 왼쪽과 오른쪽 청각 cortices 사이의 높은 기능 연결, facilitatory 효과 (예 : RT 감소)가 rTMS를 관찰 높다. fMRI는 rTMS 전에 수행 한 그러나 이러한 연구 결과는 주로 correlational했다. 여기 fMRI는 이전에 수행 된 즉시 TMS 후 직접 조치를 제공하기 위해청각 피질의 기능 조직의 등을 구체적으로 TMS에서 제공 한 신경 개입 이후 발생하는 청각 신경 네트워크의 플라스틱 개편의.
결합 fMRI와 청각 피질을 통해 적용 TMS는 TMS의 기능 효과에 대한 생리 정보를 제공, 청각 처리의 뇌 메커니즘에 대한 이해를 설정해야합니다. 이 기술은 많은인지 신경 과학의 응용 프로그램에 대한뿐만 아니라 특히 청각 관련 장애에 TMS의 치료 응용 프로그램을 최적화에 유용 할 수 있습니다.
Protocol
프로토콜은 이틀간의 세션 (반드시 연속)에 나누어 져 있습니다. 첫 날은 해부학과 영역이 TMS를 타겟팅 할 각 참가자에 대해 정의 할 수있는 기능 MR 검사로 구성 fMRI 로컬 라이져로 구성되어 있습니다. 두 번째 날은 fMRI 세션으로 구성되어 사전 및 TMS는 특별한 MR 호환 TMS 코일 (Magstim (주), 웨일즈, 영국)과 frameless stereotactic 시스템 (Brainsight)를 사용하여 스캐너 내부에 적용 후 TMS. 후자는 각 참가자의 해부학 및 기능적 데이터를 기준으로 대뇌 피질의 영역에 실시간으로 TMS 코일의 위치로 사용됩니다.
1. 로컬 라이져 세션
- 당신의 참가자의 고해상도 해부학 적 이미지를 획득와 함께 시작합니다.
- 그런 다음, 모든 BOLD 효과 나 MRI 스캔 소음 14,15으로 인해 청각 마스킹을 최소화하기 위해 그라디언트 에코 에피 맥박과 스파 스 샘플링 패러다임을 사용하여 기능 이미지를 획득. 우리의 경우, fMRI는 D를 수행하고 있습니다참가자가 2 개의 연속 5 노트 멜로디가 동일한 또는 다른 2,16 경우 결정해야하는 멜로디 작업을 uring. 차별 금지의 청각 제어 작업은 피사체는 5 노트의 2 개의 같은 길이 패턴, C5의 동일한 피치의 모든을 듣고 두 번째 자극에 따라 왼쪽 버튼을 클릭 지시되는, 포함되어 있습니다. 침묵의 기간은 각 실행의 작업 재판 중 무작위로 삽입됩니다. 12 분 16 초 총 기간 동안, 멜로디 차별, 24 청각 제어 실험 및 침묵의 24 기간의 24 시험 : 총 72 시련은 무작위 순서로 표시됩니다.
- 해부학 및 / 또는 기능 랜드 마크를 사용하여 자극 사이트를 정의합니다. 하나는 TMS 때문에 깊이에서 전기장 강도의 감쇠의 자극 사이트의 깊이에 대한 제한된다는 사실을 인식 할 수 있으며, 3cm 6,17보다 더 깊은 영역에 도달 할 예상 할 수 없습니다. 중요한 단계는 각 부분에 대해서도 이와 유사한 랜드 마크를 사용하는 것입니다때문에 참가자 사이의 해부학 적 구조와 기능의 차이 어려울 수 icipant. 여기, 우리는 해부학 및 기능 랜드 마크를 사용하여 위치 각 참가자의 Heschl의 이랑을 타겟팅합니다. 우리는 하버드 - 옥스포드 구조 atlases (에 의해 제공 Heschl의 이랑의 마스크를 사용 http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html )와 TMS 대상은의 봉우리로 개별적으로 정의됩니다 Heschl의 이랑이 내 활성화. 또한, 우리는 또한 음향 및 somatosensory 유물 등 TMS의 비 특정 효과를 제어 할 컨트롤 사이트로 사용됩니다 정점 위치를 정의합니다. 정점은 inion과 코의 다리 사이에 점 중간으로 해부학 적 정의, 그리고 오른쪽과 왼쪽 intertragal 노치에서 등거리 있습니다. 자극의 사이트의 순서 (예 Heschl의 이랑이나 정점)이 맞은 편에 counterbalanced입니다개인.
2. 사전 및 사후 TMS fMRI 실험
사전 TMS fMRI 세션
- 스캐너에 직접 가서 할 수있는 참가자를 준비합니다. 이 금속의 제거 및 TMS와 MR 검사 양식을 작성을 포함합니다.
- 해부학 및 기능 검사 (로컬 라이져 세션에서 수행 한 동일한 섹션 1 참조) MR 획득을 시작합니다.
MRI 환경에서 Frameless stereotaxy 및 TMS
frameless stereotaxy 시스템은 적외선 카메라 (폴라리스 스펙트럼), 등록 절차와 컴퓨터에 사용되는 도구 및 추적 (Brainsight)로 구성되어 있습니다. 컴퓨터가 스캐너 객실 바깥에 있지만, 스캐너 객실의 입구에 위치하여 스캐너 문 TMS 응용 프로그램을하는 동안 열려 보관됩니다 수 있습니다. 도구 및 추적이 MR 호환뿐만 아니라 적외선 카메라를 지원하는 삼각대 (집에서 만든)하고 일 아르erefore는 스캐너 방 안에서 사용됩니다. 적외선 카메라는 MR-호환되지 않습니다, 따라서 스캐너 침대에서 약 2 미터 스캐너 문 근처에있는 스캐너 실, (안전 절차에 대한 논의를 참조) 내부에 위치하고 있습니다. TMS stimulator 시스템은 MRI 스캐너 룸에 인접한 방에 자리 잡고 있습니다. 우리는 스캐너 룸 내부에 위치하고 있으며 RF 필터 튜브를 통하여 7 m 케이블을 통해 TMS 시스템에 연결 MRI 호환 TMS 코일을 사용합니다.
- stereotactic 소프트웨어 패키지 (예 : Brainsight)에 참가자의 해부학 및 기능적 이미지와 자극 목표를로드합니다. 여기, 우리는 바로 Heschl의 이랑을 대상으로합니다.
- 사전 TMS fMRI 취득 후, 32 채널 헤드 코일 (지멘스 3T 스캐너 및 32 채널 헤드 코일 구성을 사용하는 경우)의 상부 MR 헤드 코일 부분을 제거합니다.
- 다음, 스캐너 침대 참가자를 끼 웁니다.
- particip의 헤드 밴드와 추적기 세트를 수정개미의 머리.
- 스캐너 침대에 다중 관절 팔을 장착하고 팔 위에 MR 호환 TMS 코일을 해결할 수 있습니다.
- 모든 추적 및 코일 카메라의 시야에 있는지 확인합니다. 여기, 카메라가 약간 오른쪽 뇌를 타겟팅 할 때 코일 변위의 쉽게 추적 활성화를 위해 참가자의 오른쪽으로 이동합니다.
- stereotaxy 도구 (즉, 포인터 도구)를 사용하여 피사체의 머리를 보정합니다. 이것은 해부학 적 데이터에 같은 랜드 마크와 참가자의 머리 (코 nasion하고 두 귀 tragus의 끝 우리 같은 경우에는 예를 들어)에 여러 랜드 마크를 coregistering 통해 이루어집니다. 이 절차에서는 두 experimenters는 한 참가자의 머리에 포인터 도구를 위치로 참가자의 머리를 가까이 필요하며, 스캐너 객실의 입구에있는 다른 실험은 컴퓨터에 등록을 수행 할 수 있습니다.
- t에 접선 MR 호환 TMS 코일의 위치를그는 두피와 코일 추적은 적외선 카메라를 향해 지시했다. 코일은 중간 선 2 역 및 병렬 가리키는 코일 핸들 방향입니다. 다중 관절 팔에 나사를 사용하여 코일의 위치를 수정했습니다.
- MRI 스캐너에 인접한 객실에서, TMS 시스템에 활성화하고 자극을 시작합니다. TMS는 40 대에 5Hz에서 반복 50Hz에서 3 펄스에 구성된 패턴 프로토콜, 즉 지속적인 세타 버스트 자극 (cTBS)에 따라 적용됩니다. 우리는 stimulator 출력 18,19에 의해 정의 된 고정 된 자극의 강도를 (41 %)을 사용합니다. 이 (안전 절차에 대한 토론 섹션을 참조), 건강 인구 (20)에서 자극을 중지 한 후 30 분에 진행되는 동안 대뇌 피질의 소성을 조절하기 위해 표시되었습니다 우리는이 프로토콜을 선택했습니다.
후 TMS의 fMRI 세션
- 일단 자극이 완료, 그것은 가능한 한 빨리 스캐너에 따라 다시하는 것이 중요합니다. T를 제거MS의 스캐너 방에서 코일, 그리고 다중 관절 팔을 제거합니다. MR 헤드 코일에 참가자의 머리를 다시 밀어 넣습니다. 스캐너가 준비하고 갈 준비가되어 있는지 확인하십시오. 우리 조언는 전체 TMS 세션 동안 모금 된 몸 플랫폼을 유지하고, 최소로 로컬 라이져 검사의 수와 기간을 감소시키는 것입니다.
- rTMS의 효과는 일시적이기 때문에, 최종 스캔 세션 기능 검사로 시작해야합니다. 다시 말하지만, 우리는 멜로디 작업의 12 분 실행되는 동안 fMRI를 실시했다.
- 최종 검사가 완료되면 해부학 스캔으로 마무리.
3. 대표 결과
fMRI 데이터의 분석은 전후 TMS fMRI 세션 모두에 대해 개별적으로 실시하고 있습니다. 각 fMRI 세션의 경우 (즉, 사전 및 사후 TMS), 멜로디와 청각 제어 작업 사이의 대비는 왼쪽과 오른쪽 Heschl의 gyri, 우수한 시간적 gyri, 열악한 정면 gyri와 precen에서 작업 관련 활동을 보여줍니다tral gyri (그림 1 A, B). 사전 및 사후 TMS fMRI 세션 간의 차이를 평가하기 위해, 우리는 학생의 짝을 t-테스트를 사용하여 임의 효과 분석을 수행합니다. 의의는 AZ> 2 임계 값 및 P의 수정 클러스터 임계 값 = 0.05으로 식별 클러스터를 사용하여 결정됩니다. 그림 1 C은 하나의 참가자에 대한 대비 이후 마이너스 사전 cTBS를 나타냅니다. 데이터는 오른쪽 Heschl의 이랑 (검정색 원)을 대상 cTBS은 왼쪽 Heschl의 이랑을 포함하여 contralateral (왼쪽) 청각 피질에서 fMRI 응답의 증가를 유도하는 것이 좋습니다. fMRI 응답의 변화도 왼쪽 postcentral 이랑에서 발견되며, insula 왼쪽, 그리고 측면 뒤통수 피질의 양자. 그러나, fMRI 응답에 큰 변화는 코일에서 볼 수 없습니다. 또한, 유사한 결합 TMS-fMRI 프로토콜은 꼭지점 (제어 사이트)를 자극 반복됩니다. 꼭지점으로 적용 cTBS과 전후 fMRI 세션의 비교는 significa를 표시하지 않았습니다NT 효과 (데이터 표시되지 않습니다.)
그림 1. 개인 사전 TMS fMRI 데이터 (A), 후 TMS fMRI 데이터 (B) 및 사후 마이너스 사전 TMS fMRI 데이터 (C) 분석. 사전 TMS fMRI 세션 (A)과 후 TMS fMRI 세션 (B)에서 한 참가자에 대한 대비 멜로디 차별 마이너스 청각 제어 재판의 A. 결과. 왼쪽에서 오른쪽으로 : 축 코로나 및 시상 전망을 즐기실 수 있습니다. 에서 모두 (A)와 (B), TMS 코일은에있는 오른쪽 Heschl의 이랑 (검은 색 원)을 목표로하고있다 X = 54, Y = -13, z는 = 1 (MNI152 표준 공간). 모두 사전 및 사후 TMS fMRI 세션를 들어, 좌표에 표시됩니다 X = -54, y = -13, z는 자극의 사이트 (즉, 오른쪽 Heschl의 이랑에서 왼쪽 반구의 변화를 게재 할 수 = 1 (MNI152 표준 공간) ). C.에 대비 결과 학생의 짝을 t-테스트를 사용하여 이후 마이너스 사전 TMS fMRI 세션.
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Discussion
우리는 오프라인 TMS 및 청각 피질의 기능 조직을 조사 할 fMRI를 결합 프로토콜을 설명합니다. 다음 섹션에서, 우리는 이러한 접근 방식을 실시 할 때 방법 론적 요소가 고려 설명합니다.
후 TMS의 fMRI 세션에 대한 수집 및 타이밍
스캔 획득의 순서와 전후 TMS fMRI 세션의 counterbalancing
이 두 기능 검사 사이에 강력한 등록을 위해 TMS 이전과 이후 MR의 해부학 스캔을 확보하기 위해 매우 중요합니다. 그렇지 않으면, 획득 기능 차이가 원인 일 수 있습니다이 두 기능 검사보다는 fMRI 신호의 TMS 유발 변화에 사이에 misregistration 문제를 않습니다. 또한, 모든 fMRI-TMS 세션 (심지어 fMRI 로컬 라이져 세션 전)하기 전에, 그것은 fMRI의 양적 비교 할 수 있도록하기 위해 fMRI 신호의 안정성과 재현성을 평가하는 데있어 매우 중요합니다응답 magnitudes. 사실은 제거하고 누구나 혼자이 요소로 인해 차이를 예상 할 수 있습니다 할 수있는 정도를 테스트 할 수있는 주제를 (TMS없이) reintroducing 후 스캔을 반복, 일부 파일럿 연구를 실행하는 것이 좋습니다있을 수 있습니다. 사이의 세션 비교 등의 MRI 환경뿐만 아니라 21 수행 할 수있는 작업을 포함하여 MRI 실험 상황에 habituation 같은 비 특정 TMS 요소에 의해 영향을받을 수 있습니다. 하나가 균형을 맞출 참가자에 걸쳐 사전 및 사후 TMS fMRI 세션의 순서를 수이 문제를 극복 할 수 있습니다. 예를 들어, 하나는 후 몇 시간 (또는 일) 기다린 사전 TMS fMRI 세션을 수행 후 TMS fMRI 세션을 수행 한 후 TMS와 함께 시작하고 수 있습니다. 이러한 디자인은 피사체의 가용성과 같은 및 MR 스캐너의 TMS 효과와 실용적인의 예상 기간에 따라 달라집니다. 그들은 할 수 없습니다의 다른 접근 방식이 사기 또는 위약 stimulations를 사용하는 것입니다, 그러나 그들의 사용은 여전히 논쟁입니다같은 음향과 실제 자극과 사기 TMS는 실제 자극 22-24과 유사한 효과를 가지고 표시되었습니다와 같은 somatosensory 감각 (예를 들면 근육의 꿈틀) 제공합니다. 자세한 방법은 여러 영역에 TMS을 적용하고 사이트에서 차이를 평가하는 것입니다,이 비교는 TMS의 특이 현상 효과가 사이트에 24에서 동일 함을 가정합니다. 예를 들어, 꼭지점 우리가 여기에 표시 한대로 TMS과 함께 음향 및 somatosensory 유물에 대한 제어하는 데 사용할 수 있습니다.
스캔 취득의 타이밍
rTMS의 효과는 일시적 때문에 TMS의 끝 후에 가능한 한 빨리 스캐너에 따라 다시하는 것이 중요합니다. 이러한 이유로, 우리는 MRI 호환 TMS 코일을 사용하여 참가자가 스캐너 침대에 누워 때 TMS를 적용했습니다. 이 장비를 사용할 수없는 경우 그러나, 그것은 스캐너 룸 외부의 TMS를 적용하는 것도 가능합니다
TMS 사이트 및 stimulat 깊이의 정의 이온
TMS와 fMRI의 조합은 전두엽, 정면, 시간적 또는 정수리 cortices에서 대뇌 피질의 지역을 타겟팅하는 데 사용할 수 있습니다. 주요 제약은 참가자가 있으므로 뒤쪽 / 뒤통수 영역을 액세스 할 수 없으며, 스캐너 침대에 누워 때 대상 지역은 TMS 코일에 액세스 할 수 있어야한다는 것입니다. 참가자는 또한 TMS 동안 스캐너 침대에 앉을 수 있지만,이 경우 neuronavigation의 사용은, 특히 적외선 카메라는 TMS에 뒤통수 지역에 대한 액세스를 제한합니다.
참가자가 스캐너 침대에 누워 때 TMS를 적용하는 또 다른 제한은 코일 위치와 방향의 유연성이 없다는 것입니다. 이러한 이유로, 우리의 연구에서, TMS 코일은 중간 선에 뒤로 및 병렬 가리키는 코일 핸들을 위치했다. 청각 피질 2 자극 할 때 이전 연구에서, 우리는 코일 방향의 더 큰 차이를 보여 주었다 없습니다.
ontent는 "> TMS 연구의 또 다른 일반적인 제한 요소가 자극 영역의 깊이입니다. 이것은 TMS는 3cm 깊이 6,17보다 훨씬 영역에 도달 할 수 있다는 표시되어 있습니다. 따라서, 우리의 연구에, 그것은에서 유도 변경 사항을 rTMS 가능성은 HG의 중간 부분은, 기본 청각 피질의 사이트는, 반대로, HG는 우수한 시간적 이랑의 옆 가장자리에있는 모든 방법을 확장하고, 피치 처리 25,26 역할을 생각하는이 지역은 매우 가능성이 TMS의 타겟.이 고려는 물론, 모든 TMS 연구에 적용됩니다. 그러나, TMS 효과가 원하는 목표에 도달 여부에 대한 불확실성에 따라, fMRI는 이러한 사건인지 아닌지 객관적으로 결정하기 위해 도움을 줄 수 있습니다.MR 환경에서 cTBS 프로토콜에 대한 기술 고려 사항
우리는 MR 호환 장비없이 따라서 지금까지 항상 MR 스캐너 객실 밖에 사용되었습니다 cTBS 프로토콜 (50Hz)를, 사용20,27-29. 이 MR 호환 TMS 장비를 사용하여 MR 환경 안에서 cTBS을 적용 최초의 연구이다. 이러한 프로토콜을 구현하려면이 설정 효과적으로 stimulator에서 코일 30 실행하는 확장 MR-호환 케이블의 증가 임피던스로 인해 약 20 %의 TMS 출력 농도를 감소 유의하는 것이 중요합니다. 또한이 출력 제한이 일부 국가 (유럽 캐나다 대 230V 전원 공급 장치의 예를 들어 115V 전원 공급 장치)에 대한 더 중요 할 수있다. 당신이 Magstim 장비를 사용하는 경우 따라서, 당신은 시스템의 힘을 증가시키기 위해 추가 모듈 (쾌속-2 플러스 한 모듈)을 취득해야 할 수 있습니다. 적외선 카메라가 MR 스캐너의 구멍에서 안전 거리에 위치해야하며, 따라서 대형 측정 볼륨 (>을 제공 할 수 있어야한다로 결합 된 TMS와 fMRI의 또 다른 한계는 MR 룸 내부 frameless stereotaxy의 사용을 포함 이meters). 우리가 폴라리스 스펙트럼 (NDI 폴라리스, 선택 이유입니다 http://www.ndigital.com/medical/polarisfamily.php 삼m까지 볼의 필드를 제공하는). (예 : MRC 시스템 GmbH의, 독일) 사용할 수 MR-호환 적외선 카메라도 있습니다.
그렇게 cTBS 프로토콜은 지속적으로 fMRI 취득 기간 동안 온라인으로 적용되지 않을 수 있습니다 유의하는 것이 중요합니다. 우리가 이전에 31도 Bestmann 외하여 테스트 있습니다. 32, 90 밀리의 침묵 기간은 stimulator의 재충전 기간 동안 TMS 코일을 통해 누설 전류에 의한 MR 이미지의 공예품을 피하기 위해 모든 TMS 펄스 후이 필요합니다. 연속 TBS는 50Hz (펄스 사이에 20 밀리 초) fMRI 인수에 맞게하는 것이 가능성, 200 밀리로 구분하여에 전달 셋 펄스의 기차로 구성되어 있습니다. 또한, cTBS은 보통 40 대 (600 펄스), 대체 동안에 만 적용됩니다ich는 에피 시퀀스의 많은 반복을 허용하지 않습니다. 연속 TBS 프로토콜은 청각 분야에서 강력한 신경 활동의 결과해야하는 매우 시끄러운이며, 따라서 청각 처리를 조사에 적합하지 않을 수 있습니다. 그러나, 이러한 간헐적 또는 중간 TBS와 같은 TBS의 다른 modalities는 적절하게 긴 TR 20으로 적용 할 수 있습니다.
결합 cTBS와 fMRI의 안전
cTBS의 안전
이 고주파 폭발 (50Hz)을 제공하기 때문에주의 33와 함께 사용되어야하기 때문에 지속적인 TBS는 다른 반복적 인 TMS 프로토콜보다 발작의 높은 위험을 부여의 이론적 가능성이 있습니다. 참가자가 연구되고있다 때마다 rTMS 경험을 가지고 있으며 발작의 관리에 숙련 된 의사 나 간호사가 rTMS 실험실에서 접근이 가능해야합니다. cTBS을 사용하여 발작 중 하나 사건은 건강한 사람에보고되었습니다그들은 원래 프로토콜 20 (즉, 80%중인 모터 임계 값)보다 높은 강도 (예 백퍼센트 휴식 모터 임계 값)을 사용하는 간질 34에 대한 위험 요소를 갖추고 있습니다. 발작의 경우 따라야 할 절차는 안전 지침 35,36에 설명되어 있습니다.
MR 호환 도구
TMS는 MR 스캐너 룸 내부에 적용되면 스캐너 내부에 사용되는 모든 도구 MR 호환 것이 중요합니다. 여기서, TMS 코일을 장착 할 수있는 멀티 관절 팔 (맞춤식)는 MR 호환 (아세탈과 폴리 카보네이트로 만든)이었고, MR 침대 사양에 맞게. 다중 관절 팔이 자극 오랜 기간에 특히 유용하며 코일의 유연한 위치를 제공하며, 여러 방향으로 회전 할 수 있습니다. 위치 및 추적에 사용되는 추적자 (Brainsight)는 MR 호환됩니다. 적외선 카메라 (폴라리스)는 MR 스캐너 방 안으로이지만,MR 스캐너 (두 개 이상 떨어져 스캐너 침대에서)에서 안전 거리에 유지. 이 거리에서 자기장이 냉장고 자석 (50 가우스)보다 작은 0.3 MT (3 가우스) (지멘스 엔지니어와 개인 통신, 37,38)이므로 여기에 적외선 카메라의 차폐 더는 필요하지 않습니다. TMS의 stimulator 시스템에 관한, 우리는 스캐너에 전망대 스위트 옆에 설치되어있는 휴대용 장치를 사용했습니다.
자극의 매개 변수
인간의 첫 번째 cTBS 연구는 황 외에 의해했다. 20 누구는 80 % 활성 모터 임계 값에서 기본 모터 피질을 통해 5Hz에서 반복 50Hz에서 3 펄스의 폭발을 적용했습니다. 우리가 Heschl의 이랑을 타겟팅하는 cTBS을 사용했기 때문에 여기에서, 우리는 참고 조치로 활성화 된 모터 임계 값을 사용하면이 뇌 영역의 흥분의 좋은 지표되지 않을 수 있다는 판단. 또한, 우리는 MR 환경 내부 cTBS,이 설정 EFF를 사용ectively 약 20 % (이전 섹션을 참조)에 의해 출력 농도를 감소시킨다. 참고로, Bestmann 외의 연구. (MR 호환 TMS 코일로 예를 들면 Magstim 시스템)과 비슷한 설정을 사용하여 39, 70 % 개별 활성에 해당하는 12 참가자의 42 % 최대 stimulator 출력의 자극의 평균 강도를보고 모터 임계 값. 여기, 우리는 이전 cTBS 연구 및 cTBS 사용에 대한 안전 지침에 맞에 따라서 비교 stimulator 출력, 41 %를 사용 Oberman 외를 참조하십시오. 40 검토.
또한 생물학적 조직과 정적 자기장 사이의 상호 작용의 여러 물리적 메커니즘을 이론적으로 생리적 또는 생화학 프로세스 37 변경으로 이어질 수 있다고 지적되어야한다. 그러나, 몇 가지 연구는 이러한 효과가 의미 38,41,42의 임계 값 아래있는 것으로보고 게시되었습니다. 또한, 우리의 연구에서 WA를 TMS참가자가 MR 스캐너의 구멍의 스캐너 침대 외부에 누워 때 S는 오프 라인을 수행. 이 경우, 기본 자기 환경은 자석에서 도보로 감소 정적 자기장 B0로 구성되어, 참가자의 거리에서, 자기장의 강도 (= 3 가우스,, 10 배 정도의 강도 3mT에 있습니다 지구 자기장) 37,43.
결론
결합 rTMS와 fMRI 기술은 행동과 기본 뇌 활동 TMS-유도 변경 사항을 평가하는 양적 수단을 제공합니다. TMS 자체가 시간에 동작을 분석 할 수 있지만, 원래 4,44,45 생각대로 결과의 해석으로 간단 아니라는 문학의 증가 실현이 있습니다. 가장 큰 이유는 TMS가 자극 영역의 신경 활동의 변화를 유도 있다는 것입니다뿐만 아니라 자극에서 원격 지역에서, 그리고 행동 CA의 변화nnot은 기능적인 활동과 연결의 기본 사항에 관한 정보를 제공합니다.
따라서 우리의 연구에서, fMRI는 TMS 이전과 이후 실시되었다. 우리는 오른쪽 Heschl의 이랑을 통해 적용 지속적인 세타 버스트 자극은 contralateral 반구에있는 동종 분야에서 fMRI 응답의 증가를 유도했다. 이 결과는 TMS 유발 간섭 10,13,46,47 후 contralateral 반구에있는 상동 지역의 역할을 보여주는 시각적 또는 언어 처리에 이전 연구와 일치한다. 이러한 interhemispheric 상호 작용 기능 또는 용어 - 소성 짧은에서 결과를 보존 할 보상 여부가 잘 이해되지 않고 더 연구는 이러한 메커니즘의 본질을 이해하기 위해 필요합니다.
결합 TMS 및 오프라인 fMRI 열린 새로운 시각은 청각 신경 네트워크에서 기능 활성화 패턴과 연결을 조사하고 특히 유용 t 일입니다가능한 조직 개편이나 대뇌 피질의 소성을 평가 Ø. 또한이 조합은 평가하고 audiological, 신경 또는 정신 장애로 장기 임상 후속 평가하기 위해 사용될 수있다.
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Disclosures
관심 없음 충돌이 선언 없습니다.
Acknowledgments
CIBC 휄로 십 (JA)와 NSERC 기금 (RZ). 우리는 적외선 카메라에 대한 그의 도움을 Roch M. Comeau (Brainsight), MR 호환 추적 및 기타 하드웨어 지원에 감사하고 있습니다. 우리는 또한 코일 홀더에 대한 다중 관절 팔을 설계하고 비디오에 표시되는 그림의 일부를 제공 브라이언 Hynes (Hybex 혁신 주식회사)에 감사하고 있습니다. 그리고 우리가 실험의 디자인을 최적화 도움 몬트리올 신경학 연구소의 맥코넬 브레인 이미징 센터의 모든 MR 기술자와 M. 페레이라에 특별 감사드립니다.
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).
