Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Biology

Mapear as sequelas de Theta Explosão Estimulação no córtex auditivo humano com Imagem Funcional

Published: September 12, 2012 doi: 10.3791/3985

Summary

Processamento auditivo é a base de voz e música relacionada com o processamento. Estimulação Magnética Transcraniana (TMS) foi usado com sucesso para estudar cognitivas, sistemas sensoriais e motores, mas raramente tem sido aplicada para a audição. Aqui nós investigamos TMS combinados com ressonância magnética funcional para entender a organização funcional do córtex auditivo.

Abstract

Córtex auditivo se refere ao processamento de som, que está na base da fala ou música relacionada com o processamento 1. No entanto, apesar dos recentes progressos consideráveis, as propriedades funcionais e de lateralização do córtex auditivo humano estão longe de serem totalmente compreendidos. Estimulação Magnética Transcraniana (TMS) é uma técnica não-invasiva que pode transitoriamente ou duradoura modular a excitabilidade cortical através da aplicação de pulsos localizados de campo magnético, e representa um método exclusivo de explorar a plasticidade e conectividade. Ele só recentemente começou a ser aplicada para entender a função auditiva cortical 2.

Uma questão importante no uso de TMS é que as consequências fisiológicas da estimulação são difíceis de estabelecer. Apesar de muitos estudos TMS fazer a suposição implícita de que a área alvo da bobina é a área afectada, esta necessidade não é o caso, em particular para as funções cognitivas complexas which dependem de interações em várias regiões cerebrais 3. Uma solução para este problema é combinar TMS com ressonância magnética funcional (fMRI). A idéia aqui é que fMRI irá fornecer um índice de mudanças na atividade cerebral associada com TMS. Assim, fMRI daria um meio independente de avaliar quais áreas são afetadas pela TMS e como eles são modulados 4. Além disso, a IRMf permite a avaliação de conectividade funcional, o que representa uma medida do acoplamento temporal entre regiões distantes. Assim, pode ser útil não só para medir a actividade de modulação de líquido induzido pela TMS em determinados locais, mas também do grau em que as propriedades da rede são afectados pela TMS, via quaisquer alterações observadas na conectividade funcional.

Abordagens diferentes para combinar TMS e de imagem funcional de acordo com a ordem temporal dos métodos. RM funcional pode ser aplicado antes, durante, após ou antes e depois da TMS. Recentemente, Alguns estudos intercalados TMS e fMRI, a fim de proporcionar linha de mapeamento das alterações funcionais induzidas por TMS 5-7. No entanto, esta combinação de linha tem muitos problemas técnicos, incluindo os artefactos estáticos resultantes da presença da bobina TMS na sala de scanner, ou os efeitos dos impulsos de TMS sobre o processo de formação de imagens MR. Mas, mais importante, o ruído acústico alto induzida por TMS (aumentada em comparação com a utilização padrão, devido à ressonância do scanner furo) e as vibrações de aumento da bobina (TMS causado pelas fortes forças mecânicas devido ao campo magnético estático do scanner de MR) constituem um problema crucial quando se estuda o processamento auditivo.

Esta é uma razão pela qual fMRI foi realizado antes e depois da TMS no presente estudo. Abordagens semelhantes têm sido utilizados para atingir o córtex motor 8,9, córtex pré-motor 10, principal córtex somatossensorial 11,12 e língua áreas relacionadas com a 13, Mas até agora nenhum estudo combinado TMS-fMRI investigou o córtex auditivo. O objetivo deste artigo é o de fornecer pormenores sobre o protocolo e considerações necessárias para combinar com sucesso essas duas ferramentas neurocientíficas para investigar processamento auditivo.

Anteriormente nós mostramos que TMS (EMTr) em freqüências altas e baixas (resp. 10 Hz e 1 Hz) aplicados sobre o tempo de resposta córtex auditivo modulado (RT) em uma tarefa de discriminação melodia 2. Também mostramos que a RT de modulação foi correlacionada com a conectividade funcional na rede auditivo avaliadas utilizando fMRI: quanto maior a conectividade funcional entre os córtices auditivos esquerdo e direito durante o desempenho da tarefa, maior é o efeito facilitador (isto é, redução RT) observada com a rTMS. No entanto, essas conclusões foram principalmente correlacional, como fMRI foi realizada antes da EMTr. Aqui, fMRI foi realizada antes e imediatamente após o TMS para fornecer medidas diretasda organização funcional do córtex auditivo, e mais especificamente da reorganização de plástico da rede neural auditiva que ocorre após a intervenção neural fornecida pelo TMS.

RMf combinadas e TMS aplicados sobre o córtex auditivo deve permitir uma melhor compreensão dos mecanismos cerebrais de processamento auditivo, fornecendo informações fisiológicas sobre efeitos funcionais do TMS. Este conhecimento pode ser útil para muitas aplicações de neurociência cognitiva, bem como para optimizar a aplicações terapêuticas de TMS, particularmente em distúrbios relacionados auditivo.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

O protocolo é dividido em uma sessão de dois dias (não necessariamente consecutivas). O primeiro dia é composto de um localizador fMRI composta com um anatômicas e funcionais de exames de RM para definir para cada participante das áreas a ser alvo de TMS. O segundo dia consiste em sessões de fMRI pré-e pós-TMS TMS onde é aplicado dentro do scanner utilizando um especial MR bobina TMS compatível (Magstim Ltd., País de Gales, Reino Unido) e um sistema estereotáxica frameless (Brainsight). O último é usado para a posição em tempo real, a bobina TMS em áreas corticais em relação aos dados anatômicos e funcionais de cada participante.

1. Sessão Localizer

  • Comece com a aquisição de uma imagem anatômica de alta resolução do participante.
  • Em seguida, a aquisição de imagens funcionais usando um gradiente de eco EPI pulso e um paradigma amostras dispersas a fim de minimizar qualquer efeito BOLD ou mascaramento auditivo devido a ruído de varredura MRI 14,15. No nosso caso, é realizada RMf durante uma tarefa melodia em que os participantes têm de determinar se dois períodos consecutivos de cinco nota-melodias são a 2,16 iguais ou diferentes. A tarefa de controle não-discriminação auditiva também está incluído, em que os sujeitos ouvir duas iguais de comprimento padrões de cinco notas, todas no mesmo tom de C5 e são instruídos a clicar com o botão esquerdo após o segundo estímulo. Períodos de silêncio também são inseridos aleatoriamente entre os ensaios de tarefas em cada execução. No total, 72 estudos são apresentados em uma ordem aleatória: 24 ensaios de discriminação melodia, 24 ensaios de controle auditivas e 24 períodos de silêncio, para uma duração total de 12 min 16 seg.
  • Definir o local de estimulação usando anatômicas e / ou funcionais marcos. Deve-se ter consciência de que TMS é limitado em relação à profundidade do local de estimulação devido à atenuação da intensidade do campo eléctrico em profundidade, e não podem esperar para chegar a áreas mais profundas do que 3 cm 6,17. Um passo fundamental é usar pontos de referência semelhantes para cada parteicipant, o que pode ser difícil devido às diferenças na anatomia e função entre os participantes. Aqui, temos por meta giro de Heschl em cada participante, localizado usando ambos os marcos anatômicos e funcionais. Nós usamos máscaras de giro de Heschl fornecida pelos atlas Harvard-Oxford estruturais ( http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html ) ea meta TMS é definido individualmente pelo pico de ativação em giro de Heschl 2. Além disso, também definem a posição de vértice, o qual será utilizado como um local de controlo para controlar os efeitos não-específicos de TMS como artefatos acústicos e somatossensorial. O vértice é definida anatomicamente como um ponto intermediário entre o inion ea ponte do nariz, e equidistante dos entalhes direito e esquerdo intertragal. A ordem do local de estimulação (giro ou seja Heschl ou vértice) é contrabalançada emindivíduos.

2. Pré e Pós-TMS Experimento fMRI

Pré-TMS sessão fMRI

  • Preparar o participante para ir diretamente no scanner. Isto inclui a remoção de metal e enchimento do TMS e MR forma de triagem.
  • Comece a aquisição MR com um anatômicas e uma varreduras funcionais (idêntico ao realizado na sessão do localizador, ver seção 1).

Estereotaxia sem moldura e TMS no ambiente de ressonância magnética

O sistema de estereotaxia frameless é composto por uma câmera infravermelha (Polaris Spectra), algumas ferramentas e trackers (Brainsight) utilizados para o processo de registo e um computador. O computador está localizada do lado de fora do quarto do scanner, mas posicionada na entrada da sala scanner e a porta do scanner é mantida aberta durante a aplicação de TMS. As ferramentas e rastreadores são MR compatível, bem como o tripé (home-made) apoiar a câmera infravermelha e são poerefore utilizado dentro da sala de scanner. A câmera infravermelha não é MR-compatível, e, portanto, está posicionado no interior da sala do scanner, próximo a porta do scanner em cerca de dois metros da superfície do scanner (veja a discussão para procedimento de segurança). O TMS sistema estimulador está localizado em uma sala adjacente à sala de scanner de ressonância magnética. Nós usamos uma ressonância magnética da bobina TMS compatível localizado no interior da sala de scanner e conectado ao sistema de TMS através de um cabo de 7 m por meio de um tubo de filtro de RF.

  • Carregar imagens anatômicas e funcionais seu participante e as metas de estimulação para o pacote de software estereotáxica (Brainsight por exemplo). Aqui, vamos ser alvo de giro de Heschl direito.
  • Após a aquisição fMRI pré-TMS, remova a parte superior MR bobina de cabeça da bobina de cabeça de 32 canais (se usar o scanner 3T Siemens eo canal-32 configuração de bobina de cabeça).
  • Em seguida, deslize para baixo o participante na mesa do scanner.
  • Fixar a cabeça e conjunto rastreador no participcabeça formiga.
  • Monte o braço multi-articulado para o scanner e corrigir o MR bobina TMS compatível para o braço.
  • Verificar que todos os trackers ea bobina está no campo de visão da câmara. Aqui, a câmera é um pouco deslocado para o lado direito do participante para permitir um mais fácil encalço dos deslocamentos da bobina quando o direcionamento do hemisfério direito.
  • Calibrar cabeça do sujeito com as ferramentas de estereotaxia (isto é ferramenta de ponteiro). Isto é feito por vários pontos de referência coregistering sobre a cabeça do participante (por exemplo, no nosso caso, a ponta do nariz, o násio e o trago de ambas as orelhas) com os mesmos pontos de referência para os dados anatómicos. Neste processo, dois experimentadores são necessários, uma perto da cabeça do participante para posicionar a ferramenta de ponteiro na cabeça do participante, o experimentador e outra na entrada da sala do scanner para realizar o registo no computador.
  • Posicione o MR bobina TMS compatível tangencial para tele couro cabeludo, e os seguidores de bobina dirigida para a câmara de infravermelhos. A bobina está orientada com o punho apontando para trás da bobina e paralela à linha central do 2. Corrigir a posição da bobina com os parafusos no braço multi-articulado.
  • Na sala ao lado do aparelho de ressonância magnética, ligar o sistema TMS e começar a estimulação. TMS é aplicado seguindo um protocolo padronizado, ou seja, a estimulação disparo contínuo teta (CTBS), que consiste em 3 pulsos em 50Hz, repetido em 5Hz por 40 segundos. Usamos uma intensidade de estimulação fixa (41%) definido pela saída do estimulador 18,19. Nós escolhemos este protocolo, tal como foi mostrado para modular a plasticidade cortical por um período de até 30 minutos após a cessação do estímulo em populações saudáveis ​​20, (ver a secção de discussão do procedimento de segurança).

Pós-TMS sessão fMRI

  • Uma vez que a estimulação está completa, é importante para obter o objecto de volta para dentro do scanner o mais rapidamente possível. Remover o TMS bobina da sala de scanner, e retirar o braço multi-articulado. Deslize para trás a cabeça do participante para a bobina de cabeça MR. Garantir o seu scanner está preparado e pronto para ir. Nosso conselho é manter a plataforma levantada do corpo durante a sessão de TMS todo, e reduzir o número e duração das verificações localizador a um mínimo.
  • Porque os efeitos da EMTr são transitórios, a sessão de digitalização final deve começar com a leitura funcional. Mais uma vez, foram realizadas fMRI durante uma corrida de 12 min a tarefa de melodia.
  • Após a verificação final está completo, terminar com uma varredura anatômica.

3. Resultados representativos

As análises dos dados de ressonância magnética são conduzidos separadamente para os fMRI sessão de pré-e pós-TMS. Para cada sessão de fMRI (ou seja, pré e pós-TMS), o contraste entre as melodias e as tarefas de controlo auditivo mostra tarefa relacionada com a atividade no esquerdo e direito Heschl giros, giros temporal superior, inferior frontal giros e precentral giros (Figura 1 A, B). Para avaliar as diferenças entre as sessões de fMRI pré e pós-TMS, realizamos uma análise do efeito aleatório de Student teste t pareado. A significância é determinada usando conjuntos identificados por az limiar> 2 e um limiar de cluster corrigida de p = 0,05. Figura 1 C representa o contraste pós-minus pré-CTBS para um único participante. Os dados sugerem que CTBS visando o direito Heschl giro (círculo) induz um aumento na resposta fMRI no contralateral (esquerdo) córtex auditivo, incluindo giro de Heschl esquerda. Alterações na resposta fMRI também são encontradas no giro esquerdo pós-central, deixou insula, e no córtex occipital lateral, bilateralmente. No entanto, não houve mudança significativa na resposta fMRI é visto sob a bobina. Além disso, o protocolo semelhante TMS-fMRI combinada é repetido para estimular o (sítio controle) vértice. Comparação das sessões de pré-e pós-fMRI com CTBS aplicadas sobre o vértice não mostrou qualquer significant efeito (dados não mostrados).

Figura 1
Figura 1. Análise de dados individuais pré-TMS RMf (A), pós-TMS fMRI dados (B) e de pós-minus de dados pré-TMS RMf (C). A. Resultados do contraste discriminação melodia menos ensaios de controlo auditivos para um único participante na sessão fMRI pré-TMS (A) e na sessão fMRI pós-TMS (B). Da esquerda para a direita: vista axial, coronal e sagital. Em ambos (A) e (B), a bobina de TMS tem como alvo o direito Heschl gyrus (círculo preto), situado em x = 54, y = -13, z = 1 (MNI152 espaço padrão). Para ambas as sessões de pré e pós-TMS fMRI, as coordenadas são exibidas em x = -54, y = -13, z = 1 (MNI152 espaço padrão) para mostrar as mudanças no hemisfério esquerdo no local da estimulação (giro ou seja, direito Heschl ). C. Resultados do contraste pós-minus sessões pré-TMS fMRI Student utilizando teste t emparelhado.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Nós descrevemos um protocolo combinando TMS offline e fMRI para investigar a organização funcional do córtex auditivo. Nas próximas seções, vamos discutir os fatores metodológicos a considerar na realização de tal abordagem.

Aquisição e tempo de pós-TMS sessão fMRI

Ordem de aquisição exames e contrabalançando de sessões de fMRI pré e pós-TMS

É crucial para adquirir uma verificação anatómica MR, antes e depois de TMS, a fim de obter um registo robusta entre os dois scans funcionais. Caso contrário, as diferenças funcionais obtidos podem ser devidos fazer registro incorreto problemas entre os dois scans funcionais, em vez de TMS induzidas alterações no sinal de ressonância magnética. Além disso, antes de qualquer sessão fMRI-TMS (mesmo antes da sessão de localizador IRMf), é crucial para avaliar a estabilidade e capacidade de repetição do sinal de ressonância magnética, a fim de permitir comparações quantitativas de fMRImagnitudes de resposta. Na verdade, poderia ser uma boa idéia para executar alguns estudos-piloto, repetindo os exames após a remoção e reintroduzindo o tema (sem TMS) para testar o grau em que pode-se esperar diferenças devido a esse fator sozinho. A comparação entre as sessões pode ser afectada por factores não específicos, tais como TMS habituação ao contexto experiência MRI, incluindo o ambiente de ressonância magnética, assim como a tarefa a ser realizada 21. Para ultrapassar este problema poderia contrabalançar uma ordem de pré e pós-TMS sessões de fMRI entre os participantes. Por exemplo, pode-se começar com TMS e, em seguida, realizar uma sessão de fMRI pós-TMS, então aguarde um par de horas (ou dias), e realizar a sessão de fMRI pré-TMS. Tal projeto depende da duração esperada dos efeitos TMS e considerações práticas, tais como a disponibilidade do sujeito e do scanner de ressonância magnética. Outra abordagem é a utilização de estimulação sham ou placebo, no entanto a sua utilização é ainda discutida uma vez que não podefornecer o mesmo acústico e sensações somatossensoriais (por exemplo, espasmos musculares) como um estímulo real e simulado TMS tem sido demonstrado que têm efeitos semelhantes, como um verdadeiro estímulo 22-24. Uma outra abordagem é a aplicação de TMS em diversas áreas e avaliar as diferenças entre os sites; esta comparação supõe que os efeitos não específicos de TMS são equivalentes em sites 24. Por exemplo, o vértice pode ser utilizado para controlar por artefatos acústicos e somatossensorial que acompanham TMS como mostramos aqui.

Tempo de aquisição de digitalização

Porque os efeitos da rTMS são transitórios, é importante para obter a parte de trás sujeito no scanner o mais rapidamente possível após o final do TMS. Por esta razão, nós usamos uma ressonância magnética compatível com bobina TMS e TMS aplicada quando o participante estava deitado na cama scanner. Mas, se este equipamento não está disponível, é também possível aplicar TMS fora da sala de scanner 12.

Definição de locais de TMS e profundidade de estimular íons

Combinação de TMS e fMRI pode ser usada para atingir qualquer área cortical nas pré-frontais, frontais, córtex temporal ou parietal. A principal restrição é que a área alvo deve ser acessível para a bobina TMS quando o participante está deitado na cama scanner, portanto, áreas posteriores / occipital pode não estar acessível. O participante também pode sentar-se na cama scanner durante TMS, mas, neste caso, o uso de neuronavegação, especialmente a câmara de infravermelhos irá limitar o acesso a áreas occipitais de TMS.

Outra limitação a aplicar TMS quando o participante está deitado na mesa do scanner é a falta de flexibilidade de posições bobina e orientações. Por esta razão, no presente estudo, a bobina de TMS foi posicionada com o punho apontando para trás da bobina e paralela à linha média. Em um estudo anterior, não apresentaram diferença significativa de orientações bobina ao estimular o córtex auditivo 2.

ONTEÚDO "> Outro factor limitante em geral TMS estudos é a profundidade das áreas estimuladas. Tem sido demonstrado que a TMS pode não chegar a áreas mais profunda do que a profundidade três centímetros 6,17. Portanto, no presente estudo, é pouco provável que a rTMS mudanças induzidas em a porção média do HG, o local do córtex auditivo primário, inversamente, HG se estende por todo o caminho até o bordo lateral do giro temporal superior, e esta área, a qual pensa-se que desempenham um papel no processamento de breu 25,26 era muito provável alvo de TMS. Esta consideração, é claro, se aplica a todos os estudos TMS. entanto, dada a incerteza sobre se o efeito TMS atingiu seu alvo desejado, fMRI poderia ajudar a determinar objetivamente se for o caso ou não.

Considerações técnicas para o protocolo CTBS em um ambiente MR

Foi utilizado um protocolo CTBS (50Hz), que tem sido até agora, sempre usada fora de uma sala de scanner de ressonância magnética, portanto sem MR equipamento compatível20,27-29. Este é o primeiro estudo que aplicou CTBS dentro MR ambiente usando MR equipamento TMS compatível. Para implementar um protocolo deste tipo, é importante ter consciência de que esta configuração reduz eficazmente de intensidade de saída de TMS em aproximadamente 20% devido ao aumento da impedância do cabeamento MR-compatível estendida correr a partir do estimulador para a bobina 30. Além disso, essa limitação da produção poderia ser mais importante para alguns países (por exemplo, fonte de alimentação 115V no Canadá versus oferta de 230V na Europa). Portanto, se você estiver usando o equipamento Magstim, você pode precisar de adquirir um módulo adicional (Rapid-2 Plus One Module), a fim de aumentar a potência do seu sistema. Outra limitação do TMS e fMRI combinados envolve a utilização de estereotaxia sem moldura dentro da sala de MR, tal como a câmara de infravermelhos tem de ser posicionado a uma distância de segurança do furo do scanner de MR, e devem, portanto, ser capaz de proporcionar um volume de medição de grandes dimensões (> dois mtros). É por isso que nós escolhemos os espectros Polaris (NDI Polaris, http://www.ndigital.com/medical/polarisfamily.php ) proporcionando um campo de visão de até três metros. Há também MR-compatíveis câmaras de infravermelhos que podem ser utilizados (por exemplo, MRC Systems GmbH, Alemanha).

É importante notar que o protocolo CTBS não podem ser aplicados em linha, durante a aquisição fMRI contínua. Como já testado anteriormente 31 e também por Bestmann et al. 32, um período de silêncio de 90 ms é necessária depois de cada impulso de TMS para evitar artefactos nas imagens de RM, devido a correntes de fuga através da bobina de TMS durante o período de recarga do estimulador. TBS contínua é composto de três trens de pulsos entregues em 50Hz (20 ms entre os pulsos) separados por 200 ms, portanto, improvável que se encaixam em uma aquisição fMRI. Além disso, é normalmente aplicado CTBS apenas durante 40s (600 pulsos), which não permite muitas repetições de seqüências EPI. Contínua TBS protocolo também é muito barulhento que deve resultar em uma forte atividade neural em áreas auditivas e, portanto, não poderia ser mais adequado para investigar o processamento auditivo. No entanto, outras modalidades de TBS, tais como TBS intermitente ou intermediário pode ser aplicada de forma adequada com um TR longo 20.

Segurança de CTBS combinados e fMRI

Segurança de CTBS

TBS contínua tem o potencial teórico de conferir um maior risco de apreensão do que outros protocolos repetitivos TMS, pois oferece alta freqüência rajadas (50Hz) e, portanto, deve ser usado com cautela 33. Um médico ou enfermeira que tem experiência com EMTr e é hábil na gestão de crises convulsivas deverão estar dentro do alcance do laboratório EMTr sempre que um participante está sendo estudado. Um caso de convulsão usando CTBS tem sido relatado em um homem saudávelsem factores de risco para a epilepsia 34 onde se usaram uma intensidade mais elevada (isto é, 100% do limiar motor de repouso) do que no protocolo original de 20 (isto é, limite de motor 80% activo). O procedimento a seguir em caso de um ataque é descrito nas diretrizes de segurança 35,36.

MR ferramentas compatíveis

Quando TMS é aplicado dentro da sala de scanner de ressonância magnética, é fundamental que todas as ferramentas usadas dentro do scanner MR ser compatível. Aqui, o braço de multi-articulados (feitas por medida) para a montagem da bobina de TMS era compatível MR (feito com Acetal e policarbonato), e se encaixam dentro das especificações de cama de RM. O braço de multi-articulado é particularmente útil para períodos longos de estimulação e proporciona um posicionamento flexível da bobina, e permite a rotação em sentidos múltiplos. Os rastreadores (Brainsight) usados ​​para o posicionamento e rastreamento são MR compatível. A câmera infravermelha (Polaris) está dentro do quarto scanner de ressonância magnética, masmantido a uma distância de segurança a partir do scanner MR (pelo menos a dois metros do scanner). Aqui não blindagem da câmera infravermelha é necessário, pois a esta distância, o campo magnético é de 0,3 mT (3 Gauss) (comunicação pessoal com o engenheiro da Siemens, 37,38), que é menor do que um ímã de geladeira (50 Gauss). Quanto ao sistema de estimulador TMS, foi utilizado um dispositivo portátil, que é configurado em uma porta da suíte de observação ao lado do scanner.

Parâmetros de estimulação

O estudo CTBS primeiro em humanos foi por Huang et al. Que aplicou 20 rajadas de 3 pulsos em 50Hz, repetido em 5 Hz sobre o córtex motor primário, a 80% do limiar motor ativo. Aqui, uma vez que utilizado para alvejar CTBS giro de Heschl, que concluíram que o uso do limiar motor activo como uma medida de referência não pode ser um bom indicador da excitabilidade desta área do cérebro. Além disso, utilizou-se no interior do ambiente CTBS MR, e esta configuração effectively reduz de intensidade de saída de cerca de 20% (ver secções anteriores). Como referência, o estudo da Bestmann et al. 39 usando um análogo de configuração (isto é, sistema Magstim com uma bobina de MR compatível TMS) relataram uma intensidade média de estimulação da produção de 42% no máximo, em 12 participantes estimulador correspondente a 70% activo indivíduo limiar motor. Aqui, usamos 41% de estimulador de saída, que é, portanto, comparável a estudos anteriores CTBS e se encaixa dentro das diretrizes de segurança para uso CTBS, consulte Oberman et al. 40 para revisão.

Também tem de notar-se que vários mecanismos de interacção física entre os tecidos biológicos e campos magnéticos estáticos teoricamente poderia levar à alteração de processos fisiológicos ou bioquímicos 37. No entanto, vários estudos têm sido publicados relatando que esses efeitos estão abaixo do limiar da significância 38,41,42. Além disso, no nosso estudo TMS was realizadas off-line, quando o participante estava deitado na cama scanner e fora do furo do scanner de ressonância magnética. Neste caso, o meio magnético principal consiste no campo magnético estático B0, que diminui com a distância ao íman, a distância de cada participante, a intensidade do campo magnético é de cerca de 3MT (= 3 gauss, ou cerca de 10 vezes a resistência da campo magnético da terra) 37,43.

Conclusão

EMTr combinados e técnicas de fMRI fornecer meios quantitativos de avaliação do TMS-induzidas mudanças de comportamento ea atividade cerebral subjacente. TMS-se permite analisar o comportamento no tempo, mas há uma consciência crescente na literatura de que a interpretação dos resultados não é tão simples como se pensava inicialmente 4,44,45. A principal razão é que a TMS induz mudanças na atividade neural na área estimulada, mas também em áreas remotas do local estimulado, e uma mudança de comportamento cannão fornecer informações sobre as alterações profundas da atividade funcional e conectividade.

Portanto, em nosso estudo, fMRI foi realizado antes e depois da TMS. Nós mostramos que a estimulação contínua explosão teta aplicado sobre o giro de Heschl direito induziu um aumento na resposta fMRI nas áreas homólogas do hemisfério contralateral. Este resultado está em linha com estudos anteriores sobre o processamento visual ou linguagem mostrando um papel das áreas homólogas no hemisfério contralateral após TMS induzida interferência 10,13,46,47. Se tais interações interhemisféricas são compensatórias para preservar a função, ou resultado de plasticidade de curto prazo não é bem compreendido e mais pesquisas são necessárias para entender a natureza de tais mecanismos.

TMS combinados e off-line fMRI abrir novas perspectivas para investigar padrões de ativação funcionais e conectividade em redes neurais auditivas e também é particularmente útil to Avaliar uma possível reestruturação ou plasticidade cortical. Além disso, esta combinação pode também ser utilizada para avaliar o clínico a longo prazo de seguimento em audiológicos, distúrbios neurológicos e psiquiátricos.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Não há conflitos de interesse declarados.

Acknowledgments

CIBC comunhão (JA) e NSERC subvenção (RZ). Somos gratos a Roch M. Comeau (Brainsight) por sua ajuda em relação à câmara de infravermelhos, os rastreadores MR compatíveis e suporte de hardware. Agradecemos também a Brian Hynes (Hybex Innovations Inc.), que projetou o braço multi-articulado para suporte da bobina e forneceu algumas das figuras exibidas no vídeo. E um agradecimento especial a todos os técnicos e MR Ferreira M. do Centro McConnell Brain Imaging do Instituto Neurológico de Montreal, que nos ajudou a otimizar o projeto do experimento.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Winer, J. A., Schreiner, C. E. The Auditory Cortex. (2011).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Bestmann, S. Mapping causal interregional influences with concurrent TMS-fMRI. Exp. Brain Res. 191, 383-402 (2008).
  6. Bohning, D. E. BOLD-fMRI response to single-pulse transcranial magnetic stimulation (TMS. Journal of magnetic resonance imaging : JMRI. 11, 569-574 (2000).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Grefkes, C. Modulating cortical connectivity in stroke patients by rTMS assessed with fMRI and dynamic causal modeling. NeuroImage. 50, 233-242 (2010).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Tegenthoff, M. Improvement of tactile discrimination performance and enlargement of cortical somatosensory maps after 5 Hz rTMS. Plos Biology. 3, 2031-2040 (2005).
  13. 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).
  14. Belin, P., Zatorre, R. J., Hoge, R., Evans, A. C., Pike, B. Event-related fMRI of the auditory cortex. Neuroimage. 10, 417-429 (1999).
  15. Hall, D. A. "Sparse" temporal sampling in auditory fMRI. Human Brain Mapping. 7, 213-223 (1999).
  16. Foster, N. E., Zatorre, R. J. A role for the intraparietal sulcus in transforming musical pitch information. Cereb Cortex. 20, 1350-1359 (2010).
  17. Bohning, D. E. Mapping transcranial magnetic stimulation (TMS) fields in vivo with MRI. Neuroreport. 8, 2535-2538 (1997).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Loo, C. K. Transcranial magnetic stimulation (TMS) in controlled treatment studies: are some "sham" forms active. Biological psychiatry. 47, 325-331 (2000).
  24. 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).
  25. Puschmann, S., Uppenkamp, S., Kollmeier, B., Thiel, C. M. Dichotic pitch activates pitch processing centre in Heschl's gyrus. NeuroImage. 49, 1641-1649 (2010).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Stagg, C. J. Neurochemical effects of theta burst stimulation as assessed by magnetic resonance spectroscopy. Journal of neurophysiology. 101, 2872-2877 (2009).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Bungert, A. TMS combined with fMRI. University of Nottingham. (2010).
  32. 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).
  33. Wassermann, E. M. Use and safety of a new repetitive transcranial magnetic stimulator. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 101, 412-417 (1996).
  34. Oberman, L. M., Pascual-Leone, A. Report of seizure induced by continuous theta burst stimulation. Brain stimulation. 2, 246-247 (2009).
  35. 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).
  36. 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).
  37. Safety Guidelines for Magnetic Resonance Imaging Equipment in Clinical Use. Available from: http://www.mhra.gov.uk/Publications/Safetyguidance/DeviceBulletins/CON2033018 (2007).
  38. 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).
  39. Bestmann, S. Mapping causal interregional influences with concurrent TMS-fMRI. Experimental brain research. Experimentelle Hirnforschung. Experimentation cerebrale. 191, 383-402 (2008).
  40. 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).
  41. Kangarlu, A. Cognitive, cardiac, and physiological safety studies in ultra high field magnetic resonance imaging. Magn. Reson. Imaging. 17, 1407-1416 (1999).
  42. Schenck, J. F. Safety of strong, static magnetic fields. Journal of magnetic resonance imaging : JMRI. 12, 2-19 (2000).
  43. Lee, V. S. Cardiovascular MRI: physical principles to practical protocols. Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia. 175 (2006).
  44. 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).
  45. 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).
  46. Ilmoniemi, R. J. Neuronal responses to magnetic stimulation reveal cortical reactivity and connectivity. Neuroreport. 8, 3537-3540 (1997).
  47. Thiel, A. From the left to the right: How the brain compensates progressive loss of language function. Brain Lang. 98, 57-65 (2006).
Mapear as sequelas de Theta Explosão Estimulação no córtex auditivo humano com Imagem Funcional
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Andoh, J., Zatorre, R. J. Mapping the After-effects of Theta Burst Stimulation on the Human Auditory Cortex with Functional Imaging. J. Vis. Exp. (67), e3985, doi:10.3791/3985 (2012).More

Andoh, J., Zatorre, R. J. Mapping the After-effects of Theta Burst Stimulation on the Human Auditory Cortex with Functional Imaging. J. Vis. Exp. (67), e3985, doi:10.3791/3985 (2012).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter