Waiting
Login processing...

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

Biology

Kortlægning af eftervirkningerne af Theta brast Stimulation om den menneskelige auditive cortex med Functional Imaging

Published: September 12, 2012 doi: 10.3791/3985
Automatic Translation
1, 1
1Montreal Neurological Institute and International laboratory for Brain, Music, and Sound (BRAMS), McGill University

Summary

Auditory behandling er grundlaget for tale og musik-relateret behandling. Transkraniel magnetisk stimulation (TMS) er blevet anvendt med succes til at studere kognitive, sensoriske og motoriske systemer, men er sjældent blevet anvendt til audition. Her har vi undersøgt TMS kombineret med funktionel Magnetic Resonance Imaging til at forstå den funktionelle organisation af auditive cortex.

Abstract

Auditory cortex vedrører den behandling af lyd, der er på grundlag af tale eller musik-relateret behandling 1. Trods betydelige nylige fremskridt, er de funktionelle egenskaber og lateralization af det menneskelige auditive cortex langt fra fuldstændig forstået. Transkraniel magnetisk stimulation (TMS) er en ikke-invasiv teknik, der kan forbigående eller varigt modulere cortical excitabilitet via anvendelsen af ​​lokaliserede magnetiske impulser, og er et enestående metode til at udforske plasticitet og tilslutning. Det er først for nylig begyndt at blive anvendt til at forstå auditive cortical funktion 2.

Et vigtigt aspekt i anvendelse af TMS er, at de fysiologiske konsekvenser af stimulering er vanskelige at fastslå. Selv om mange TMS undersøgelser gør den implicitte antagelse, at trafiksignaler af spolen, er det berørte område, behøver dette ikke være tilfældet, navnlig for komplekse kognitive funktioner WHIch afhænge af interaktioner på tværs af mange områder af hjernen 3. En løsning på dette problem er at kombinere TMS med funktionel magnetisk resonans (fMRI). Ideen her er, at fMRI vil give et indeks for ændringer i hjernens aktivitet forbundet med TMS. Således ville fMRI give en uafhængig middel til at vurdere, hvilke områder der er påvirket af TMS, og hvordan de er moduleret 4. Desuden giver fMRI vurderingen af ​​funktionelle forbindelser, som udgør et mål for den tidsmæssige kobling mellem fjerntliggende steder. Det kan således være hensigtsmæssigt ikke alene at måle den netaktivitet modulation induceret af TMS i givne steder, men også i hvilken grad de netværksegenskaber påvirkes af TMS, via de observerede ændringer i funktionel forbindelse.

Flere forskellige måder kombinere TMS og funktionel billeddannelse ifølge den tidsmæssige rækkefølge af metoderne. Funktionel MRI kan påføres før, under, efter, eller både før og efter TMS. For nylig, Nogle undersøgelser sammenflettet TMS og fMRI for at tilvejebringe online kortlægning af funktionelle ændringer induceret af TMS 5-7. Men dette online kombination har mange tekniske problemer, herunder de statiske artefakter som følge af tilstedeværelsen af ​​TMS spolen i scanneren rum, eller virkningerne af TMS impulser på fremgangsmåden ifølge MR billeddannelse. Men endnu vigtigere, den højlydte akustisk støj fremkaldt af TMS (øget sammenlignet med standard brug på grund af resonans af scanneren boring) og de øgede TMS coil vibrationer (forårsaget af de stærke mekaniske kræfter på grund af statiske magnetfelt af MR-scanner) udgør et afgørende problem, når de studerer auditive forarbejdning.

Dette er en af ​​grundene fMRI blev udført før og efter TMS i den foreliggende undersøgelse. Lignende metoder er blevet anvendt til at målrette den motoriske hjernebark 8,9, premotor cortex 10, primær somatosensoriske cortex 11,12 og sprogrelaterede områder 13, Men hidtil har ingen kombinerede TMS-fMRI undersøgelse har undersøgt det auditive cortex. Formålet med denne artikel er at give oplysninger om den protokol og overvejelser er nødvendige til at kombinere disse to neurovidenskabelige værktøjer til at undersøge auditive forarbejdning.

Tidligere viste vi, at gentagne TMS (rTMS) ved høje og lave frekvenser (hhv. 10 Hz og 1 Hz), der anvendes i løbet af den auditive cortex modulerede responstid (RT) i en melodi forskelsbehandling opgave 2. Vi viste også, at RT modulation var korreleret med funktionel konnektivitet i den auditive netværk vurderes ved hjælp af fMRI: jo højere funktionelle konnektivitet mellem venstre og højre auditive cortex under opgaveløsningen, jo højere facilitatory effekt (dvs. nedsat RT) observeret med rTMS. Men disse konstateringer var hovedsagelig Correlational, som fMRI blev udført før rTMS. Her blev fMRI gennemført før og umiddelbart efter TMS til at yde direkte foranstaltningerDen funktionelle organisation af den auditive cortex og mere specifikt af den plastiske reorganisering af den auditive neurale netværk finder sted efter neurale indgreb fra TMS.

Kombineret fMRI og TMS, der anvendes i løbet af det auditive cortex bør sætte en bedre forståelse af hjernens mekanismer auditive forarbejdning, der giver fysiologisk information om funktionelle effekter af TMS. Denne viden kan være nyttige for mange kognitiv neurovidenskab anvendelser, såvel som til at optimere terapeutiske anvendelser af TMS, især auditive lidelser.

Protocol

Protokollen er delt i en to-dages samling (ikke nødvendigvis på hinanden følgende). Den første dag består af en fMRI Localizer sammensat med en anatomisk og en funktionel MR-scanninger til at definere for hver deltager de områder, der skal målrettes med TMS. Den anden dag består i de fMRI sessioner præ-og post-TMS hvor TMS påføres inde i scanneren hjælp af en særlig MR kompatibel TMS spole (Magstim Ltd, Wales, UK) og en rammeløs stereotaktisk system (Brainsight). Sidstnævnte anvendes til placering i realtid TMS spole på kortikale områder i forhold til hver deltagers anatomiske og funktionelle data.

1. Localizer Session

  • Start med at erhverve en høj opløsning anatomisk billede af dit deltager.
  • Derefter erhverve funktionelle billeder ved hjælp af en gradient ekko EPI puls og en sparsom sampling paradigme med henblik på at minimere enhver BOLD virkning eller auditive maskering grund MRI scanning støj 14,15. I vores tilfælde er fMRI udføres dnder en melodi opgave, hvor deltagerne skal afgøre, om to på hinanden følgende 5-note melodier er ens eller forskellige 2,16. En ikke-diskrimination auditive kontrol opgave er også inkluderet, i hvilke fag hører to lige lange mønstre af fem notater, alle på samme tonehøjde C5 og er instrueret til at klikke med venstre knap efter den anden stimulus. Perioder med tavshed er også indsat tilfældigt blandt opgaven forsøg i hver kørsel. I alt er 72 studier præsenteret i et randomiseret rækkefølge: 24 forsøg med melodi forskelsbehandling, 24 auditive kontrolforsøg og 24 perioder med stilhed, med en samlet varighed på 12 min 16 sek.
  • Definer stimulation websted ved hjælp af anatomiske og / eller funktionelle vartegn. Man skal være opmærksom på, at TMS er begrænset vedrørende dybden af stimulation sted på grund af dæmpningen af den elektriske feltstyrke i dybden, og kan ikke forvente at nå områder dybere end 3 cm 6,17. Et vigtigt skridt er at bruge lignende lokaliteter for hver delicipant, hvilket kan være vanskeligt på grund af de forskelle i anatomi og funktion mellem deltagerne. Her vil vi målrette Heschl s gyrus i hver deltager, er placeret ved hjælp af både anatomiske og funktionelle vartegn. Vi bruger masker af Heschl s gyrus fra de Harvard-Oxford strukturelle atlas ( http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html ) og TMS målet er defineret individuelt af toppen af aktivering under Heschl s gyrus 2. Desuden definerer vi toppunktet position, som vil blive anvendt som en kontrol sted til kontrol af ikke-specifikke effekter af TMS såsom akustiske og somatosensorisk artefakter. Toppunktet defineres anatomisk som et punkt midt mellem Inion og broen af ​​næsen, og lige langt fra den højre og venstre intertragal hak. Rækkefølgen af sted stimulation (dvs. Heschl s hjernevindingsregion eller vertex) afbalanceres tværsindivider.

2. Pre-og Post-TMS fMRI Experiment

Pre-TMS fMRI session

  • Forbered deltageren at gå direkte i scanneren. Dette omfatter fjernelsen af ​​metal og fyldning af TMS og MR screening form.
  • Start MR købet med en anatomisk og en funktionel scanninger (identisk med den, der udføres i Localizer session, se afsnit 1).

Rammeløse stereotaxy og TMS i MRI miljø

Det rammeløse stereotaxy Systemet består af et infrarødt kamera (Polaris Spectra), nogle værktøjer og trackers (Brainsight), der anvendes til registrering procedure og en computer. Computeren er placeret uden for scannerens plads, men placeret ved indgangen af ​​scannerens rum og scannerens døren holdes åben under TMS ansøgning. De værktøjer og trackers er MR kompatible, samt stativ (hjemmelavet), der understøtter den infrarøde kamera og er therefore brugt inde i scanneren værelse. Det infrarøde kamera er ikke MR-kompatibel, og derfor er placeret inde i scanneren plads, tæt ved scanneren døren ved cirka to meter fra scannerpladen (se diskussionen for sikkerhed procedure). TMS stimulator system er placeret i et rum ved siden af ​​MR-scanner room. Vi anvender en MRI kompatible TMS spole placeret inde i scanneren plads og forbundet til TMS via en 7-m kabel gennem et RF-filter rør.

  • Ilæg deltagers anatomiske og funktionelle billeder og stimulering mål i det stereotaktiske softwarepakke (f.eks Brainsight). Her vil vi målrette den rigtige Heschl s gyrus.
  • Efter præ-TMS fMRI erhvervelse fjerne det øverste MR head spole en del af den 32-kanals head spole (hvis hjælp af Siemens 3T scanneren og 32-kanals head coil konfiguration).
  • Dernæst glide ned deltageren på scannerpladen.
  • Fastgør pandebånd og tracker indstillet på Udsvingsmyrens hoved.
  • Monter multi-ende arm til scannerpladen og fastgør MR kompatible TMS spole på armen.
  • Kontrollere, at alle trackers og spolen er i synsfeltet for kameraet. Her er kameraet lidt flyttet til højre side af deltageren at muliggøre en lettere sporing af spolen forskydninger, når du målretter den højre hjernehalvdel.
  • Kalibrer dit fag hoved med stereotaxy værktøjer (dvs. pilmarkøren). Dette gøres ved at coregistering flere lokaliteter på deltagerens hoved (fx i vores tilfælde spidsen af næsen, nasion og tragus af begge ører) med de samme vartegn på de anatomiske data. I denne procedure, to eksperimentatorer behov, den ene tæt på deltagerens hoved til at placere pilmarkøren på deltagerens hoved, og den anden eksperimentator ved indgangen på scanneren plads til at foretage registreringen på computeren.
  • Placer MR kompatibel TMS spole tangerer tHan hovedbunden, og spolen trackers rettet mod det infrarøde kamera. Spolen er orienteret med spolen håndtag peger bagud og parallelt med midterlinjen 2. Fix spolen position ved hjælp af skruerne på multi-leddet arm.
  • I rummet ved siden af ​​MR-scanner, tænde for TMS systemet og begynde stimulation. TMS anvendes efter en mønstret protokol, dvs kontinuerlig theta burst stimulation (cTBS) bestående i 3 pulser ved 50Hz, gentaget ved 5Hz for 40'erne. Vi bruger en fast stimulation intensitet (41%) defineret af stimulatoren output 18,19. Vi valgte denne protokol, da det har vist sig at modulere kortikal plasticitet i en varighed på op til 30 min efter stimulering ophør i sunde populationer 20, (se diskussionen afsnittet for sikkerhed procedure).

Post-TMS fMRI session

  • Når stimulation er fuldført, er det vigtigt at få emnet tilbage i scanneren så hurtigt som muligt. Fjern TMS spole fra scanneren rum, og fjern multi-leddet arm. Skub tilbage deltagerens hovedet ind i MR hoved spole. Sørg for at din scanner er forberedt og klar til at gå. Vores råd er at holde kroppen platformen hævet under hele TMS session, og reducere antallet og varigheden af ​​Localizer scanninger til et minimum.
  • Virkningen af ​​rTMS er forbigående, bør den endelige scanning session begynder med den funktionelle scanning. Igen, vi gennemførte fMRI under en 12-min kørsel af melodi opgave.
  • Efter at den endelige scanningen er færdig, slut af med en anatomisk scanning.

3. Repræsentative resultater

Analyser af fMRI data udføres separat for både præ-og post-TMS fMRI session. For hver fMRI session (dvs. før og efter TMS), kontrasten mellem melodierne og det auditive kontrol opgave viser opgave-relateret aktivitet i venstre og højre Heschl s gyri, overlegen tidsmæssig gyri, ringere frontal gyri og precentrale gyri (Figur 1 A, B). At evaluere forskelle mellem præ-og post-TMS fMRI sessioner, vi udføre en random-virkning-analyse under anvendelse af Students parrede t-test. Signifikans bestemmes ved hjælp af klynger identificeret ved az> 2 tærskel og en korrigeret klynge tærskel på p = 0,05. Figur 1 C repræsenterer kontrast post-minus præ-cTBS for en enkelt deltager. Dataene tyder på, at cTBS rettet mod højre Heschl s gyrus (sort cirkel) inducerer en stigning i fMRI respons i den kontralaterale (venstre) cortex, herunder den venstre Heschl s gyrus. Ændringer i fMRI reaktion findes også i den venstre postcentral gyrus, venstre isolering, og i den laterale occipital cortex bilateralt. Dog ingen signifikant ændring i fMRI reaktion, der ses under spolen. Desuden er lignende kombinerede TMS-fMRI protokol gentages for at stimulere toppunktet (kontrolstedet). Sammenligning af præ-og post-fMRI sessioner med cTBS påføres over toppunktet viste ingen significant virkning (data ikke vist).

Figur 1
Fig. 1. Analyse af individuelle før-TMS fMRI data (A), post-TMS fMRI data (B) og efter minus før-TMS fMRI data (C). A. Resultater af kontrasten melodi diskrimination minus auditive kontrolforsøg for en enkelt deltager i den præ-TMS fMRI session (A) og i post-TMS fMRI session (B). Fra venstre mod højre: aksiale, koronale og sagittale visninger. I både (A) og (B) er TMS spolen målrette den rigtige Heschl s gyrus (sort cirkel) placeret ved x = 54, y = -13, z = 1 (MNI152 standardmellemrum). For både præ-og post-TMS fMRI sessioner, er koordinaterne vises ved x = -54, y = -13, z = 1 (MNI152 standard mellemrum) for at vise ændringer i den venstre hjernehalvdel på stedet for stimulation (dvs. højre Heschl s gyrus ). C. Resultater af kontrasten post-minus præ-TMS fMRI sessioner anvendelse af Students parrede t-test.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Vi beskriver en protokol kombinerer offline TMS og fMRI til at undersøge den funktionelle organisation af den auditive cortex. I de næste afsnit vil vi diskutere de metodiske faktorer at overveje, når der udføres en sådan fremgangsmåde.

Erhvervelse og timing for post-TMS fMRI session

Kendelse scanninger erhvervelse og modvægt af præ-og post-TMS fMRI sessioner

Det er afgørende at opnå et MR anatomisk skanning før og efter TMS for at få en robust registrering mellem de to funktionelle scanninger. Ellers kan de funktionelle opnåede forskelle skyldes gør fejlregistrering emner mellem de to funktionelle scanninger end til TMS-inducerede ændringer i fMRI signal. Endvidere, inden der fMRI-TMS session (selv inden fMRI Localizer session) er det afgørende at evaluere stabiliteten og repeterbarhed fMRI signal, for at muliggøre kvantitative sammenligninger af fMRIrespons størrelser. I virkeligheden kunne det være en god ide at køre nogle pilotundersøgelser, gentager de scanninger efter fjernelse og genindføre emnet (uden TMS) til at teste, i hvilken grad man kan forvente forskelle på grund af denne faktor alene. Den mellem-session sammenligning kan påvirkes af ikke-specifikke TMS faktorer såsom tilvænning til MRI eksperiment kontekst, herunder MRI miljø, samt den opgave, der skal udføres 21. For at overvinde dette problem kunne man opveje rækkefølgen af ​​præ-og post-TMS fMRI sessioner på tværs af deltagerne. For eksempel kunne man begynde med TMS og derefter foretage en post-TMS fMRI session, derefter vente et par timer (eller dage), og udføre præ-TMS fMRI session. Sådan design afhænger af den forventede varighed af de TMS effekter og praktiske overvejelser såsom tilgængeligheden af ​​emnet og af MR-skanner. En anden metode er at bruge sham eller placebo stimuleringer, men deres anvendelse er stadig diskuteres, da de kan ikkegive den samme akustiske og somatosensoriske fornemmelser (f.eks muskler twitches) som en rigtig stimulering og fingeret TMS har vist sig at have lignende virkninger som en reel stimulering 22-24. En yderligere fremgangsmåde er at anvende TMS på flere områder og vurdere forskellene på tværs af websteder, denne sammenligning forudsætter, at de ikke-specifikke effekter af TMS er ækvivalente i sites 24. For eksempel kan toppunktet anvendes til at styre for akustiske og somatosensorisk artefakter, der ledsager TMS som vi har vist her.

Timing af scan erhvervelse

Virkningen af ​​rTMS er forbigående, er det vigtigt at få emnet tilbage i scanneren så hurtigt som muligt efter afslutningen af ​​TMS. Af denne grund, har vi brugt en MRI-kompatible TMS spole og anvendt TMS når deltageren lå ned på scannerpladen. Men hvis dette udstyr ikke er tilgængelig, er det også muligt at anvende TMS uden for scannerens rum 12.

Definition af TMS steder og dybde stimulat ioner

Kombinationen af ​​TMS og fMRI kan anvendes til at målrette et kortikale område i det præfrontale, frontal, tidsmæssige eller parietale cortex. Den vigtigste begrænsning er, at det målrettede område bør være tilgængelige for TMS spolen, når deltageren ligger ned på scannerpladen, derfor posterior / occipital områder kan ikke være tilgængelige. Deltageren kan også sidde på scannerpladen under TMS, men i dette tilfælde, er anvendelsen af ​​neuronavigation især den infrarøde kamera vil begrænse adgangen til occipital områder for TMS.

En anden begrænsning at anvende TMS når deltageren ligger ned på scannerpladen er den manglende fleksibilitet på coil positioner og orienteringer. Derfor, i vores undersøgelse blev TMS spole anbragt med spolen håndtag peger bagud og parallelt med midterlinjen. I en tidligere undersøgelse viste vi ingen signifikant forskel i coil orienteringer ved at stimulere den auditive cortex 2.

NDHOLDET "> En anden generel begrænsende faktor i TMS undersøgelser er dybden af de stimulerede områder. Det har vist sig, at TMS ikke kan nå områder dybere end 3 cm dybde 6,17. derfor efter vores undersøgelse, er det usandsynligt, at rTMS inducerede ændringer i midterdelen af HG, stedet for primær cortex, omvendt HG strækker sig hele vejen til den laterale kant af den øvre temporal gyrus, og dette område, som menes at spille en rolle i tonehøjde behandling 25,26 meget sandsynligt mål for TMS. Denne overvejelse, naturligvis gælder for alle TMS undersøgelser. Men i betragtning af usikkerheden om, hvorvidt TMS effekten har nået sit ønskede mål, kunne fMRI bidrage til at afgøre objektivt, hvis det er tilfældet eller ej.

Tekniske overvejelser for cTBS protokol i et MR-miljø

Vi brugte en cTBS protokol (50Hz), som er blevet hidtil altid brugt uden for en MR-skanner rum, derfor uden MR kompatibelt udstyr20,27-29. Dette er den første undersøgelse, der anvendte cTBS inde MR-miljø ved hjælp af MR kompatibelt TMS-udstyr. At gennemføre en sådan protokol, er det vigtigt at være opmærksom på, at dette set-up reducerer effektivt TMS output intensiteter med omkring 20% på grund af den øgede impedans i den udvidede MR-kompatible kabler løber fra stimulator til spolen 30. Desuden kunne dette output begrænsning være mere vigtigt for nogle lande (f.eks 115V strømforsyning i Canada versus 230V strømforsyning i Europa). Derfor, hvis du bruger Magstim udstyr, kan du nødt til at erhverve en ekstra modul (Rapid-2 Plus One Module) for at øge styrken i dit system. En anden begrænsning af kombinerede TMS og fMRI indebærer anvendelse af rammeløse stereotaxy inde i MR rummet, da det infrarøde kamera skal placeres i sikker afstand fra boringen i MR-skanner, og bør derfor være i stand til at yde stor målevolumen (> to meters). Det er derfor, vi valgte Polaris spektre (NDI Polaris, http://www.ndigital.com/medical/polarisfamily.php ) tilvejebringe et synsfelt på op til tre meter. Der er også MR-kompatible infrarøde kameraer, der kunne bruges (f.eks MRC Systems GmbH, Tyskland).

Det er vigtigt at bemærke, at cTBS protokol ikke kan anvendes online under kontinuerlig fMRI erhvervelse. Som vi testede tidligere 31 og også af Bestmann et al. 32, en tavs periode på 90 ms kræves efter hver TMS impuls for at undgå artefakter på MR-billeder på grund af lækstrømme gennem TMS-spolen ved genopladning periode af stimulatoren. Kontinuerlig TBS er sammensat af tog af tre afgivne pulser ved 50Hz (20 ms mellem impulserne) adskilt af 200 ms, derfor usandsynligt at passe i en fMRI opkøb. Desuden er cTBS normalt anvendes kun i 40'erne (600 pulser), whICH tillader ikke mange gentagelser af EPI-sekvenser. Kontinuerlig TBS-protokollen er også meget støjende hvilket skulle resultere i en stærk neurale aktivitet i de auditive områder, og derfor måske ikke være egnet til at undersøge auditive forarbejdning. Imidlertid kan andre modaliteter i TBS, såsom periodisk eller mellemprodukt TBS påføres med en passende lang TR 20.

Sikkerhed af kombinerede cTBS og fMRI

Sikkerhed cTBS

Kontinuerlig TBS har den teoretiske potentiale til at bibringe en højere risiko for beslaglæggelse end andre gentagne TMS protokoller, da det giver højfrekvente bursts (50Hz) og bør derfor anvendes med forsigtighed 33. En læge eller en sygeplejerske, der har erfaring med rTMS og er uddannet i forvaltningen af ​​anfald bør være inden for rækkevidde fra rTMS laboratorium, når en deltager er ved at blive undersøgt. Et tilfælde af beslaglæggelse hjælp cTBS er blevet rapporteret i en sund manduden risikofaktorer for epilepsi 34, hvor de brugte en højere intensitet (dvs. 100% hvile motor tærskel) end i den oprindelige protokol 20 (dvs. 80% aktiv motor tærskel). Den procedure, der følges i tilfælde af et anfald er beskrevet i de sikkerhedsmæssige retningslinjer 35,36.

MR kompatible værktøjer

Når TMS anvendes inde i MR-skanner rummet, er det afgørende, at alle de værktøjer, der anvendes indvendigt i scanneren være MR kompatible. Her multi-ende arm (specialbyggede) til at montere TMS spole var MR kompatibel (lavet med Acetal og polycarbonat), og passer ind i MR seng specifikationer. The multi-leddet arm er særlig anvendelig til lang stimulering og tilvejebringer fleksibel placering af spolen, og muliggør rotation i flere retninger. De trackers (Brainsight), der anvendes til positionering og sporing er MR kompatible. Den infrarøde kamera (Polaris) er inde i MR-skanner værelse menholdes på sikker afstand fra MR-skanner (mindst to meter fra scannerpladen). Her nogen afskærmning af det infrarøde kamera er nødvendig, da på den afstand, det magnetiske felt er 0,3 mT (3 Gauss) (personlig kommunikation med ingeniør fra Siemens, 37,38), der er mindre end et køleskab magnet (50 Gauss). Med hensyn til TMS stimulator systemet, brugte vi en bærbar enhed, der er sat op i en observation suite nabo til scanneren.

Parametre for stimulation

Den første cTBS afprøvning i mennesker var Huang et al. 20, der anvendes byger af 3 pulser ved 50 Hz, gentaget ved 5Hz over den primære motor cortex, ved 80% aktiv motor tærskel. Her, fordi vi brugte cTBS at målrette Heschl s gyrus, vi ræsonnerede, at bruge den aktive motor tærskel som reference foranstaltning ikke kan være en god indikator for ophidselse af denne hjerne område. Derudover brugte vi cTBS inde i MR-miljø, og denne opsætning effectively reducerer output intensiteter med omkring 20% ​​(se tidligere afsnit). Som reference. Studiet af Bestmann et al 39 ved hjælp af en lignende set-up (dvs. Magstim system med en MR kompatibel TMS spole) rapporterede en gennemsnitlig intensitet på stimulering af 42% maksimal stimulator output i 12 deltagere svarende til 70% individuel aktiv Motoren tærskelværdien. Her brugte vi 41% af stimulatoren output, som derfor sammenlignes med tidligere cTBS studier og passer ind i de sikkerhedsmæssige retningslinjer for cTBS brug, se Oberman et al. 40 for gennemgang.

Det er også at bemærkes, at flere fysiske mekanismer for interaktion mellem biologiske væv og statiske magnetfelter teoretisk kan føre til ændring af fysiologiske eller biokemiske processer 37. Imidlertid har flere undersøgelser blevet offentliggjort rapporterer, at disse virkninger er under tærsklen betydning 38,41,42. Desuden TMS i vores undersøgelse was udført off-line, når deltageren lå ned på scannerpladen og uden for boringen i MR-skanner. I dette tilfælde består den største magnetiske miljø i det statiske magnetfelt B0, der aftager med afstanden fra magneten, på deltagerens afstand, er styrken af ​​det magnetiske felt omkring 3mT (= 3 gauss, eller omkring ti gange styrken af Jordens magnetfelt) 37,43.

Konklusion

Kombinerede rTMS og fMRI teknikker giver kvantitative midler til at vurdere TMS-inducerede ændringer i adfærd og den underliggende hjernens aktivitet. TMS selv gør det muligt at parse adfærd i tiden, men der er voksende forståelse i litteraturen, at fortolkningen af resultaterne ikke er så ligetil, som man oprindeligt troede 4,44,45. Den væsentligste årsag er, at TMS inducerer ændringer i neurale aktivitet i den stimulerede område, men også i fjerntliggende områder fra den stimulerede site, og en ændring i adfærd canIkke tilvejebringe oplysninger om de underliggende ændringer i funktionel aktivitet og tilslutningsmuligheder.

Derfor i vor undersøgelse blev fMRI gennemført før og efter TMS. Vi viste, at kontinuerlig theta burst stimulation påført over højre Heschl s gyrus inducerede en forøgelse af fMRI respons i de homologe områder i den kontralaterale halvdel. Dette resultat er i overensstemmelse med tidligere undersøgelser af visuel eller sprogbehandling viser en rolle af de homologe områder i den kontralaterale hemisfære efter TMS-induceret indblanding 10,13,46,47. Hvorvidt sådanne interhemispheric interaktioner er kompenserende at bevare funktionen, eller et resultat af kortsigtet-plasticitet er ikke godt forstået, og yderligere forskning er nødvendig for at forstå karakteren af ​​sådanne mekanismer.

Kombinerede TMS og off-line fMRI åbner nye perspektiver for at undersøge funktionelle aktivering mønstre og tilslutningsmuligheder i auditive neurale netværk og er også særdeles anvendelig to vurdere eventuel reorganisering eller kortikal plasticitet. Desuden kunne denne kombination også anvendes til at evaluere og vurdere langsigtede kliniske opfølgning i audiologiske, neurologiske eller psykiatriske lidelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklæret.

Acknowledgments

CIBC stipendium (JA) og NSERC tilskud (RZ). Vi er taknemmelige for Roch M. Comeau (Brainsight) for hans hjælp i forbindelse med infrarødt kamera, MR-kompatible trackere og anden hardware support. Vi er også taknemmelige for Brian Hynes (Hybex Innovations Inc.) som har designet den multi-leddet arm for spoleholder og givet nogle af de tal, der vises i videoen. Og en særlig tak til alle de MR teknikere og M. Ferreira fra McConnell Brain Imaging Centre of Montreal Neurological Institute, der hjalp os optimere designet af eksperimentet.

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).

Tags

Neuroscience fysiologi fysik Theta burst stimulation funktionel magnetisk resonans MRI auditive cortex rammeløse stereotaxy lyd transkraniel magnetisk stimulation
Kortlægning af eftervirkningerne af Theta brast Stimulation om den menneskelige auditive cortex med Functional Imaging
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Andoh, J., Zatorre, R. J. Mapping… 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