Biology

映射后的Theta突发刺激对人类听觉皮层功能成像

Published: September 12, 2012 doi: 10.3791/3985

¹Montreal Neurological Institute and International laboratory for Brain, Music, and Sound (BRAMS), McGill University

Summary

听觉处理是基础的语音和音乐相关的处理。经颅磁刺激（TMS）已经被成功地用于研究的认知，感觉和运动系统，但很少有人去试镜。在这里，我们调查了解听觉皮层的功能组织与功能性磁共振成像TMS相结合。

Abstract

听觉皮质涉及到的声音的处理，这是在语音或音乐相关的处理¹的基础。然而，尽管有相当的最新进展，人类听觉皮层的功能特性和单侧远没有得到充分的理解。经颅磁刺激（TMS）是一种非侵入性技术，可以短暂或持久地调节大脑皮质的兴奋性，通过局部磁场脉冲的应用，并探索可塑性和连接是一个独特的方法。最近才开始被应用到理解听觉皮质功能^2。

使用TMS的一个重要问题是，刺激的生理后果是难以确定的。虽然许多TMS研究使线圈的目标的区域是受影响的区域的隐含的假设，这不需要的情况下，特别是对于复杂的认知功能WHI的CH取决于许多大脑区域之间的交互^3。这个问题的一个解决办法是用功能性磁共振成像（fMRI）技术，结合TMS。这里的想法是，功能磁共振成像的大脑活动的变化与TMS将提供一个指数。因此，功能磁共振成像将提供一个独立的手段，评估哪些地区受到影响的TMS和它们是如何调制^4。此外，fMRI的允许功能连接的评估，这代表一个遥远的地区的时间之间的耦合措施。因此，它可以是有用的，不仅要测量的净活性调制引起的TMS在给定的位置，而且在何种程度上受TMS的网络性能，通过任何观察到的变化，在功能连接。

有不同的方法结合TMS和功能成像的时间顺序的方法。官能MRI可被施加之前，期间，之后，或者之前和之后都TMS。最近一些交错TMS和功能磁共振成像研究，以提供在线地图功能的变化引起的TMS ^5-7。然而，这在线组合有许多的技术问题，包括静态的TMS线圈在扫描器室，或MR图像形成的过程中的TMS脉冲的影响的存在下，从所得的工件。但更重要的是，由TMS（与标准的使用，因为扫描器的谐振孔相比增加）和增加的TMS的线圈振动（由于MR扫描器的静磁场的强的机械力引起的诱导）的响亮的声噪声研究听觉处理时，构成一个关键的问题。

这是原因之一fMRI的满分，TMS为内标，本研究之前和之后进行。类似的方法已被用于针对运动皮层^8,9，运动前皮层^10，初级躯体感觉皮层^11,12和语言相关领域的¹³，但到目前为止，还没有结合TMS-fMRI研究调查了听觉皮层。这篇文章的目的是提供有关的协议和注意事项要成功地结合这两种神经科学的工具来研究听觉处理的细节。

以前我们发现，在高，低频率（或10 Hz和1赫兹），在听觉皮层调制响应时间（RT）在旋律中的歧视任务^2的重复TMS（经颅磁刺激）。我们还发现，RT调制在听觉功能连接网络评估与使用功能磁共振成像的功能左侧和右侧听觉皮层之间的连接执行任务的过程中，较高的易化作用（即降低RT）观察经颅磁刺激。然而，这些研究结果主要是相关性，功能性核磁共振造影前进行经颅磁刺激。在这里，功能磁共振成像进行前，后，立即TMS提供直接的措施听觉皮层的功能组织，并且更具体的塑料重组后发生的神经干预设置由TMS的听觉神经网络。

结合应用在听觉皮层的功能磁共振成像和TMS应该能够更好地理解大脑的听觉处理机制，提供生理功能的影响TMS信息。这方面的知识对于许多认知神经科学应用可能是有用的，以及用于优化的TMS的治疗中的应用，特别是在听觉相关的疾病。

Protocol

该协议为期两天的会议分为（不一定是连续的）。第一天由组成的解剖和功能磁共振扫描，以确定每个参与者的领域有针对性的TMS的功能磁共振成像定位。第二天由功能磁共振成像会议前和后TMS，TMS是应用在扫描仪内使用一个特殊的MR兼容TMS线圈（Magstim有限公司，威尔士，英国）和无框架立体定向系统（Brainsight）。后者用于在皮质区相对于每个参与者的解剖和功能的数据实时TMS线圈的位置。

1。本地化会议

开始您的参与者获得高分辨率的解剖图像。
然后，获取图像功能，使用梯度回波EPI脉冲和稀疏采样范式，以尽量减少任何大胆的效果或听觉掩蔽由于MRI扫描噪音^14,15。在我们的例子中，功能磁共振成像输出D姚小萍Yao Xiaoping旋律声任务中，参加者，以确定是否两个连续的5个音符旋律是相同的或不同的^2,16。一个非歧视性的听觉控制任务还包括，中，受试者听到两个相同长度的五个音符模式，所有的C5相同的间距，并指示点击鼠标左键后的第二个刺激。的静默期，也是中随机插入的任务在每次运行试验。共72试验随机顺序：24个试验的旋律歧视听觉对照试验，24和24期的沉默，总工期为12分16秒。
定义刺激部位解剖和/或功能性的地标。一个人必须知道，TMS是有限的刺激部位的深度，因为深入的电场强度的衰减，并不能期望达到面积大于3厘米^6,17更深。一个重要的步骤就是使用类似的标志性建筑的每个部分icipant，这可能是困难的，因为参与者之间的解剖结构和功能的差异。在这里，我们的目标Heschl的每一个参与者，位于回的解剖和功能的地标。我们所提供的哈佛，牛津结构的地图集（ http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html ）和TMS目标Heschl的回用口罩单独定义的高峰期激活内的Heschl回^2。此外，我们还定义了顶点的位置，将被用作控制现场控制非特异性作用的TMS如声学和体感的工件。顶点被定义作为一个点之间的枕外隆凸尖的鼻梁的中途解剖，并从右侧和左侧的intertragal槽口等距。刺激部位（即 Heschl的回或顶点）的顺序之间平衡个人。

2。功能磁共振成像实验前和后TMS

前TMS功能磁共振成像会话

准备去直接在扫描仪中的参与者。这包括去除金属和填充TMS和MR筛查形式。
启动MR收购的解剖和功能扫描（相同的定位会话中进行，第1节）。

在MRI环境中的无框立体定向和TMS

无框立体定向系统是由一个红外相机（北极星光谱），一些工具和的纤夫（Brainsight）用于登记过程和一个计算机。计算机位于扫描器室之外，但位于扫描器室的入口和扫描仪的门保持打开期间TMS应用程序。的工具和跟踪器是MR兼容，以及支持红外相机三脚架（自制）和第erefore扫描仪的房间内使用。红外线摄像头是不是MR-兼容，因此扫描仪内部的室，扫描仪的门附近的在大约两米，从扫描仪床（见的安全过程的讨论）被定位。坐落在一个房间相邻的MRI扫描室的的TMS刺激器系统。我们使用的MRI兼容的TMS线圈位于扫描仪内部的室，并通过一个7-m的电缆连接到TMS系统通过一个RF滤波器管。

加载您参与者的解剖和功能影像和刺激目标到立体软件包（例如 Brainsight）。在这里，我们将目标瞄准正确的Heschl的回。
前TMS功能磁共振成像采集后，去除上层的MR磁头线圈部分的32通道头线圈（如果使用西门子3T扫描仪，32通道头线圈结构）。
接下来，向下滑动的参与者扫描仪的病床上。
修复的头带和跟踪组的particip蚂蚁的头部。
多节臂安装扫描仪的床和修复的MR兼容TMS线圈的手臂上。
验证所有的跟踪和线圈是在该领域的摄像头。这里，相机略微移动到右侧的参与者，启用一个更容易跟踪线圈位移定位时的右半球。
校准您的拍摄对象的头部立体定向工具（即指针工具）。这样做是通过coregistering参与者的解剖的数据具有相同的地标头（ 例如，在我们的例子中的鼻子，鼻根和两个耳朵的耳屏上的前端）上的多个标记。在此过程中，需要两个实验者，1接近到参与者的头部将指针定位工具，在参与者的头部，和其它实验在扫描器室入口，在计算机上执行的登记。
MR兼容TMS线圈切到T的位置他头皮，和线圈纤夫朝向的红外摄像机。线圈与线圈手柄向后和平行指向中线²取向。使用多节臂的螺丝固定线圈位置。
在房间相邻的MRI扫描仪，打开TMS系统，并开始刺激。 TMS图案协议，即连续THETA突发刺激（CTBS）在3个脉冲组成，在50Hz时为40岁，在5Hz重复应用。我们使用的激励器输出^18,19所定义的一个固定的刺激强度（41％）。我们选择了这个协议，因为它已被证明调节皮层可塑性，持续时间长达30分钟刺激停止后，在健康人群中^20，（见讨论部分安全程序）。

后TMS功能磁共振成像会议

刺激是完成后，重要的是得到的主题放回扫描器尽快。删除的T从扫描室，MS线圈和删除多节臂。参与者的头向后滑动的MR磁头线圈。请确保您的扫描仪的准备，蓄势待发。我们的建议是保持身体平台的整个TMS会话的过程中提出的，和定位扫描的次数和持续时间减少到最低限度。
由于影响的经颅磁刺激是暂时的，最终的扫描会话的功能扫描开始。同样，我们进行了功能磁共振成像的旋律工作在一个12分钟的运行。
在最终扫描完成后，完成与解剖扫描。

3。代表性的成果

前和后TMS功能磁共振成像会议的功能磁共振成像数据进行分析。对于每个功能磁共振成像会话（即前置和后置TMS），对比的旋律和听觉的控制任务，任务相关活动的左，右Heschl的脑回，颞上回，下额叶脑回和precenTRAL回（ 图1 A，B）。为了评估前和后TMS功能磁共振成像会话之间的差异，我们使用学生的配对t检验进行随机效应分析。意义被确定使用识别由AZ> 2阈值和一个群集阈值校正为p = 0.05的群集。 图1 C表示的对比度后减去预CTBS为单个参与者。这些数据表明，针对正确的Heschl回（黑圈）的CTBS诱导增加（左）在对侧听觉皮层的功能磁共振成像响应，包括的左侧Heschl的回。功能磁共振成像反应的变化，也发现在左中央后回，左岛，并在外侧枕叶皮质双侧。然而，没有显着变化在fMRI响应下可见的线圈。此外，类似的合并的TMS-fMRI的协议重复刺激的顶点（控制场址）。比较CTBS施加超过顶点的前和后的fMRI会话没有显示任何标志意义nt的影响（数据未示出）。

图1。分析的个人预TMS功能磁共振成像数据（A），后TMS fMRI数据（B）和后减前TMS的的fMRI数据（C）。 A.结果的对比旋律的歧视减去的听觉控制的试验，一个参与者在预TMS功能磁共振成像会议（A）和后TMS功能磁共振成像（B）会议。从左至右：轴向，冠状面和矢状面的看法。（A）和（B），TMS线圈的目标是正确的Heschl回（黑圈）位于X = 54，Y = -13，Z = 1（MNI152标准的空间）。前和后TMS功能磁共振成像会议，坐标显示在x = -54，y = -13，z = 1的（MNI152标准空间）显示在左侧半球的变化，在现场的刺激（即右Heschl的回）。 C.结果的对比后减前TMS功能磁共振成像会使用学生的配对t检验。

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Discussion

我们描述了一个协议，结合当前离线TMS和功能磁共振成像调查的听觉皮层的功能组织。在接下来的章节中，我们将讨论的方法时，需要考虑的因素进行这样的方法。

收购及时间后TMS功能磁共振成像会话

顺序扫描采集和平衡的前和后TMS功能磁共振成像会议

关键的是要获得一个MR解剖扫描之前和之后，以TMS为内标，以得到一个鲁棒配准之间的两个功能的扫描。否则，功能上的差异可能是由于做两者之间的功能性扫描，而不是TMS-fMRI信号引起的变化，位置不正的问题。此外，在任何功能磁共振成像-TMS会议（甚至在功能磁共振成像定位会话），评估的fMRI信号的稳定性和重复性是至关重要的，允许功能磁共振成像定量比较响应幅度。事实上，它可能是一个好主意，运行一些试点研究，重复删除和恢复，扫描后的主体（TMS），以测试在何种程度上可以预期因素的差异。之间会比较可能受影响，由非特异性TMS因素，如习惯性的MRI的实验环境，其中包括在MRI环境中，以及要执行的任务^21。为了解决这个问题，可以抵消整个参与者的顺序，前和后TMS功能磁共振成像会议。例如，一个人可能与TMS开始，然后进行后TMS功能磁共振成像会话，然后等待几个小时（或几天），并执行预TMS功能磁共振成像会议。这样的设计取决于TMS效果和实际的考虑，如提供的主体和磁共振扫描仪的预期持续时间。另一种方法是使用假或安慰剂刺激的，但是它们的使用仍存在争议，因为他们可能不提供相同的声学和体感的感觉（ 例如，肌肉抽搐）作为一个真正的刺激和伪TMS已被证明有类似的效果，作为一个真正的刺激^22-24。另一种做法是在多个领域中应用TMS和评估的差异跨站点，，比较假设非特异性的TMS的影响是等价的跨站点^24。例如，顶点可以用于控制附带TMS为我们已经表明这里的声学和体感工件。

扫描采集的时间

的rTMS因为效果是暂时的，重要的是得到的主题放回扫描器作为TMS结束后尽快。出于这个原因，我们使用了MRI兼容TMS线圈和应用的参与者时，扫描仪的病床上躺着的TMS。但是，如果此设备是不可用的，它也可以适用TMS扫描器室之外12。

TMS网站和深度stimulat的定义离子

结合TMS和功能磁共振成像可用于针对任何额叶，额叶，颞叶和顶叶皮质的皮质区。的主要制约因素是，当参与者躺在扫描仪的病床上，因此，枕骨后/地区可能无法访问目标区域应该是可访问的TMS线圈。参与者也可以坐在期间TMS扫描仪上的床，但在这种情况下，使用神经导航，特别是红外照相机将访问限制为TMS枕区。

应用TMS的参与者时，扫描仪的病床上躺着的另一个限制是缺乏线圈的位置和方向灵活性。出于这个原因，在我们的研究中，在TMS线圈被定位与线圈手柄和平行向后指向的中线。在以前的研究中，我们没有表现出显着的差异刺激听觉皮层²时，线圈的方向。

ontent“>在TMS研究的另一种一般的限制因素是刺激的区域的深度，它已被证明，TMS可能无法到达的区域更深的深度大于3cm ^6,17，因此，在我们的研究中，这是不可能的RTMS引起的变化在的中间部分HG，初级听觉皮层的部位，相反，HG一直延伸到外侧缘的颞上回，很可能这一领域，这被认为是发挥作用的音高处理^25,26针对TMS。这方面的考虑，当然，适用于所有TMS研究。然而，由于TMS效果是否已经达到了预期的目标的不确定性，功能磁共振成像可以帮助客观地确定，如果是这种情况，或不。

磁共振（MR）环境中的技术考虑CTBS协议

我们使用了CTBS协议（50HZ），至今已一直使用以外的MR扫描室，因此没有MR兼容的设备^20,27-29。这是第一项研究中，采用CTBS内MR环境中使用MR兼容TMS设备。为了实现这样的协议，它是重要的是要注意，此设置有效地降低了约20％，主要由于增加的阻抗MR-兼容的扩展的布线运行的刺激卷³⁰ TMS的输出强度。此外，该输出限制可能是更重要的，对于一些国家（例如在加拿大对在欧洲230V电源115V电源）。因此，如果您使用的是Magstim设备，您可能需要获得一个额外的模块（快速加一个模块），以提高你的系统电源。合并的TMS和fMRI的另一个限制涉及使用无框立体定向内的MR室，红外线相机需要MR扫描器从孔中被定位在一个安全的距离，并因此应该能够提供大的测量体积（> 2米eters）。这就是为什么我们选择了宝来光谱（NDI宝来， http://www.ndigital.com/medical/polarisfamily.php ）查看高达三米的一个领域。也有MR-兼容的，可用于（ 例如，MRC系统GmbH，德国）的红外摄像机。

重要的是要注意，CTBS可能不适用于在线在连续功能磁共振成像的收购协议。由于我们测试以前³¹和也由Bestmann 等^。32，静音周期需要90毫秒后，每TMS脉冲，以避免由于漏电流通过线圈刺激器在充电期间的TMS-MR图像上的人工制品。连续TBS是由三个脉冲在50Hz（20毫秒脉冲之间）相隔200毫秒，因此不太适合的功能磁共振成像收购的列车。此外，CTBS通常只适用于在40秒（600脉冲）的wh非物质文化遗产不允许EPI序列的多次重复。连续TBS协议是非常嘈杂的，这将导致一个强大的神经活动在听觉区，因此可能不适合调查听觉处理。然而，其他的TBS的方式，可以施加一个适当长的TR ²⁰如间歇或中间体的TBS。

结合CTBS和功能磁共振成像的安全

安全CTBS

连续TBS理论蕴藏量赋予发作的风险较高，比其他重复TMS协议，因为它提供了高频率的脉冲串（50HZ），因此应慎用^33。医生或护士谁拥有丰富的经验和经颅磁刺激是熟练的在癫痫发作的管理应该是指日可待的经颅磁刺激实验室正在研究每一个参与者。据报道，在一个健康的人扣押的情况下使用CTBS无危险因素为癫痫^34，他们使用了高强度（即 100％静息运动阈值），比在原来的协议（即 80％的主动运动阈值）。遵循的程序的案件，检获中描述的安全指引^35,36。

MR兼容的工具

TMS内部应用MR扫描室时，至关重要的是，扫描仪内所使用的工具是兼容的。在这里，多关节臂（定制的）装入的TMS线圈MR兼容（与乙缩醛和聚碳酸酯制成），和适合的MR床规格内。的多关节臂为长时间的刺激是特别有用的，并提供灵活定位的线圈，能够在多个方向上的旋转。用于定位和跟踪的跟踪器（Brainsight）的兼容。红外摄像机（北极星）内的MR扫描室，但保持在一个安全的距离磁共振扫描仪（扫描仪至少两米的床）。这里没有屏蔽的红外摄像头是需要的，在这个距离，磁场为0.3 mT的（3高斯）（个人通信与工程师从西门子^{，37,38），}这是小于一台冰箱磁铁（50高斯）。关于的TMS刺激系统中，我们使用一台便携式的装置，它是建立在观察套房隔壁的扫描仪。

刺激参数

第一CTBS在人类的研究是由Huang 等人 ²⁰施加脉冲串的3个脉冲，50Hz时，在5Hz重复超过初级运动皮层，在80％的活性运动阈值。在这里，因为我们使用的CTBS，瞄准Heschl的回，我们的理由是，使用主动式运动阈值的参考测量可能不是一个很好的指标，这个脑区的兴奋性。此外，我们使用的CTBS内的磁共振（MR）环境，此设置EFFectively输出强度降低约20％（见前一节）。作为一个参考，Bestmann 等人的研究^，39使用类似的设置（即的 Magstim系统与一个MR兼容TMS线圈）报告对应于70％的单独的活性在12个参与者的平均强度的42％最大刺激输出刺激运动阈值。在这里，我们用41％的刺激输出，因此相比，以前的的CTBS研究和配合内的安全指引CTBS使用，请参阅，奥伯曼等。审查^40。

它也应当指出，生物组织和静态磁场之间的相互作用的几个物理机制理论上可能导致改变的生理或生化过程^37。然而，一些研究已经发表报告说，这些效果都低于阈值的意义^38,41,42。另外，在我们的研究中TMS娃小号进行脱线，当参与者躺在孔的磁共振扫描仪扫描仪床外。在这种情况下，在主磁性环境组成的静态磁场B0而减小从磁体的距离;在参与者的距离，该磁场的强度是周围3MT（= 3高斯，或约10倍的强度的地球的磁场^）37,43。

结论

联合经颅磁刺激和功能磁共振成像技术提供了量化手段评估TMS的行为和相关的大脑活动的变化。 TMS本身可以解析行为的时间，但在文献中有越来越多的实现，对结果的解释是不那么简单，因为原本以为^4,44,45。主要的原因是，TMS诱导刺激区域中的神经活动的变化，但也从刺激的站点在偏远地区，并约在行为上的变化n不提供有关功能活动和连接了根本的变化。

因此，在我们的研究中，功能磁共振成像进行前后TMS。我们发现，在正确的Heschl的回连续THETA突发刺激诱导增加在对侧半球同源区的功能磁共振成像反应。这一调查结果与以往的研究对视觉或语言处理的同源领域的作用的TMS引起的干扰对侧半球后^{10,13,46,47。}无论这种半球间的相互作用是补偿性的保存功能，或导致短期可塑性还不是很清楚，还需要进一步研究，以了解这种机制的性质。

联合TMS和离线功能磁共振成像打开新的视角来研究功能激活的模式和连接在听觉神经网络中也特别有用的TØ评估可能的重组或皮层可塑性。此外，该组合还可以用于评估和评估长期临床随访中听力学，神经或精神疾病。

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Disclosures

没有利益冲突的声明。

Acknowledgments

CIBC奖学金（JA）和NSERC补助金（RZ）。我们是感谢罗奇M.科莫（Brainsight）的红外摄像机对他的帮助，MR兼容的跟踪器和其他硬件支持。我们也感谢布赖恩，海因斯（Hybex创新公司）是谁设计的多节臂的线圈支架和提供的数字显示在视频。特别感谢所有的的MR技术人员和M.费雷拉从麦康奈尔脑成像中心的蒙特利尔神经学研究所的帮助我们优化设计的实验。

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