Électroencéphalographie simultanée (EEG) et l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est un outil de neuroimagerie puissant. Toutefois, à l'intérieur d'un appareil d'IRM forme un environnement difficile pour l'enregistrement et de la sécurité des données EEG doivent être considérés chaque fois que l'équipement d'exploitation à l'intérieur d'un scanner EEG. Ici, nous présentons un protocole d'acquisition de données EEG-IRMf optimisé.
Simultané EEG-IRMf permet à l'excellente résolution temporelle de l'EEG à être combiné avec la précision spatiale de l'IRMf. Les données de ces deux modalités peuvent être combinés dans un certain nombre de façons, mais toutes reposent sur l'acquisition de données EEG et IRMf haute qualité. Données EEG acquises au cours de l'IRMf simultanées sont affectées par plusieurs objets, y compris l'artefact de gradient (en raison de l'évolution des gradients de champ magnétique nécessaire pour IRMf), l'artefact impulsion (lié au cycle cardiaque) et les artefacts de mouvement (résultant de mouvements dans le champ magnétique fort domaine du scanner, et l'activité musculaire). Méthodes de post-traitement pour corriger avec succès le gradient et des objets d'impulsions nécessitent un certain nombre de critères auxquels doit satisfaire lors de l'acquisition de données. Minimiser les mouvements de la tête pendant EEG-IRMf est également impératif de limiter la production d'objets.
Les interactions entre la fréquence radio (RF) d'impulsions nécessaires pour l'IRM et ee matériel EEG peut survenir et peut provoquer un échauffement. C'est seulement un risque important si les consignes de sécurité ne sont pas satisfaits. conception du matériel et mise en place, ainsi que la sélection minutieuse des séquences IRM qui sont organisées avec le matériel EEG présente doivent donc être considérées.
Les questions ci-dessus soulignent l'importance du choix du protocole expérimental utilisé lors de l'exécution d'une expérience EEG-IRMf simultanées. Basé sur des recherches antérieures, nous décrivons un dispositif expérimental optimal set-up. Elle fournit des données EEG haute qualité pendant l'IRMf simultanées en utilisant des systèmes EEG et IRMf commerciales, avec des risques de sécurité au sujet minimisé. Nous démontrons ce set-up dans une expérience EEG-IRMf aide d'un simple stimulus visuel. Cependant, les stimuli beaucoup plus complexes peuvent être utilisés. Ici, nous montrons l'EEG-IRMf set-up en utilisant un MRplus, 32 système EEG de canal en conjonction avec un Achieva Philips (Best, Pays-Bas) 3T MR scanner cérébral Products GmbH (Gilching, Allemagne), bien quela plupart des techniques sont transférables à d'autres systèmes.
Électroencéphalographie simultanée (EEG) et l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) permet à l'excellente résolution temporelle de l'EEG à être combiné avec la précision spatiale de l'IRMf. Il ya un certain nombre de façons dont les données de ces deux modalités peuvent être combinés 1, mais toutes reposent sur l'acquisition de données EEG et IRMf haute qualité. À ce jour, simultané EEG-IRMf a été utilisée pour étudier la corrélation entre les rythmes oscillants (mesurées avec EEG) et les réactions d'oxygénation du sang (en utilisant le niveau d'oxygénation du sang (BOLD) IRMf), par exemple 2,3. Il a également été utilisée pour étudier si les caractéristiques du signal évoqué peuvent expliquer la variance dans le signal BOLD sur une base essai par essai 4,5. Dans les études cliniques, la principale utilisation de la technique a été d'étudier les foyers de décharges épileptiques intercritiques, qui peuvent aider à la planification chirurgicale et sont actuellement difficiles à localiser de manière non invasive6,7. Pour réaliser la fusion des données de l'EEG et IRMf qui est souhaité, il est essentiel de disposer de données de haute qualité provenant des deux modalités. Toutefois, les données EEG acquises au cours de l'IRMf simultanées sont affectées par plusieurs objets, y compris l'artefact de gradient (en raison des champs magnétiques changeants nécessaires pour IRMf), l'artefact d'impulsion (lié au cycle cardiaque) et les artefacts de mouvement (résultant de mouvements à la forte le champ magnétique du dispositif de balayage, ainsi que l'activité musculaire). Ces artefacts sont nettement plus importants que l'activité neuronale d'intérêt et donc la réduction (à la source) et la correction des artefacts (via le post-traitement) sont tous deux nécessaires pour permettre la mise en œuvre réussie du simultané EEG-IRMf.
Les méthodes de post-traitement actuellement disponibles pour corriger la pente et objets d'impulsions nécessitent un certain nombre de critères pour être satisfaits lors de l'acquisition de données afin de produire des données EEG haute qualité. Au cours de la décennie précédente, l'OPTiMAL expérimental pour l'enregistrement de données de haute qualité a évolué comme notre compréhension des causes des artefacts 8-10 s'est améliorée et nous avons appris comment modifier des méthodes expérimentales afin de réduire les artefacts à la source 11,12 et à améliorer la performances de post-traitement des algorithmes de correction. Ces développements incluent l'amélioration de l'échantillonnage des formes d'onde de gradient à travers la synchronisation des horloges du scanner 13,14 et l'utilisation d'un vectocardiogramme 15,16 pour fournir une trace cardiaque plus propre que l'ECG traditionnel. La trace de vectocardiogramme est dérivé de quatre électrodes placées sur la poitrine avec un filtre passe-bas rigoureuses employées 14-16. En conséquence, la trace est relativement peu affectée par les artefacts de gradient et est insensible à l'artefact d'écoulement de sang qui facilite la détection R-pic. Cependant, la possibilité d'enregistrer un vectocardiogramme n'est pas disponible sur tous les appareils d'IRM et donc ne sera mentionnée brièvement dans ce sTudy. L'importance de la réduction des artefacts et le nettoyage rigoureux des données a été soulignée par la récente démonstration que les artefacts de mouvement enregistrés dans les données de l'EEG peuvent en corrélation avec l'activité BOLD rien à voir avec la mission d'intérêt, produire des résultats erronés si grand soin n'est pas pris toute la processus expérimental 17.
La méthode présentée ici représente l'approche optimale actuel pour obtenir des données EEG et IRMf haute qualité simultanément en utilisant le matériel MR et des séquences d'impulsions qui sont largement disponibles, ainsi que des équipements EEG vendu dans le commerce. La mise en œuvre de la méthode de l'acquisition proposée, en liaison avec l'utilisation de méthodes de post-traitement approprié, sera d'obtenir des données EEG et IRMf qui peuvent être utilisés pour répondre à un certain nombre de questions importantes en neurosciences.
Conseils généraux Depuis l'aménagement physique de toutes les chambres du scanner est différent, nous reconnaissons que vous ne pouvez pas être en mesure de positionner vos amplificateurs EEG en dehors de l'alésage de l'aimant. Dans ce cas, un bon compromis consiste à placer les amplificateurs sur un tapis de caoutchouc d'épaisseur de manière à les découpler des vibrations du scanner autant possible. Si vous trouvez que la correction des artefacts de gradient ne fonctionne pas bien, vérifiez les temps entre le volume ou marqueurs de tranche, car il est probable dans ce cas que le TR qui a été saisi à la console MR n'est pas précisément le TR qui est généré . Dans ce cas, vous devrez contacter le fabricant du scanner M. pertinente pour obtenir de l'aide.
Les étapes les plus importantes dans le processus d'acquisition de données EEG au cours de l'IRMf simultanées sont celles prises pour s'assurer que toutes les sources de bruit externes ont été réduites au minimum (par exemple, les pompes à cyrocooler et les vibrations de l'équipement EEG). Pour allow correction d'artefacts de gradient optimal, il est important de veiller à ce que les horloges de balayage EEG et MR sont synchronisés, le TR de tranche est un multiple de la période d'horloge de balayage et que l'objet est positionné de manière optimale. Pour assurer optimales artefacts correction de nombreuses techniques d'impulsions exigent une trace cardiaque propre à partir duquel R pics peuvent être détectés, nous suggérons que cela peut être mieux réalisé à l'aide d'un VCG, bien qu'il soit également possible avec un ECG bien positionné. Si vous utilisez l'ECG, il est recommandé de placer ce à la base du dos pour maximiser le rapport signal sur bruit de la R-pic avec l'avantage supplémentaire de ce qui est un site facile d'accéder à une position près du cœur 23. Positionnement de l'ECG sur les résultats de la poitrine à artefacts de mouvement en raison de la respiration d'être ajouté à la trace à partir de ce conducteur et de provoquer l'artefact de gradient pour faire varier au cours du temps. Cela peut entraîner la saturation de trace et / ou de correction des artefacts de gradient ne fonctionne pas en raison de la variabilité du modèleet n'est donc pas recommandée.
Discussion générale EEG-IRMf est un outil puissant pour étudier le fonctionnement du cerveau, comme la haute résolution temporelle de l'EEG peut être combiné avec la haute résolution spatiale de l'IRMf. À ce jour, un certain nombre d'études ont utilisé cette approche multi-modale à acquérir une meilleure compréhension du fonctionnement du cerveau. EEG-IRMf a été appliquée à des volontaires sains afin d'étudier la corrélation entre les rythmes oscillants (mesurée par EEG) et les réactions d'oxygénation du sang (IRMf BOLD), par exemple 2,3. Il a également été utilisé pour étudier si les caractéristiques du signal évoqué peuvent expliquer la variance dans le signal BOLD sur une base essai par essai 4,5. Dans les études cliniques, la principale utilisation de la technique a été d'étudier les foyers de décharges épileptiques intercritiques qui sont par nature difficiles à localiser de manière non invasive 6,7. Ces exemples montrent la puissance de cette imagerie multi-modaleING outil. Toutefois, afin de permettre l'étude de ces phénomènes, il est important d'avoir accès à la meilleure qualité possible des données EEG et IRM. Pour atteindre cet objectif à l'intérieur du scanner IRM, il est important d'avoir le meilleur dispositif expérimental et aussi de choisir les méthodes d'analyse les plus appropriées. Les méthodes d'analyse optimales seront dans une certaine mesure dépendra de la question de recherche d'intérêt, tout comme les méthodes de correction utilisé pour l'élimination des artefacts. Par exemple, la taille et le nombre de mouvements qui ont eu lieu lors de l'enregistrement permettra de déterminer la combinaison la plus efficace des algorithmes pour enlever l'artefact de gradient. Cependant, la solution optimale dispositif expérimental du matériel EEG et IRMf est relativement indépendante de certaines questions de recherche. Les lignes directrices présentées ici sont donc de valeur générale et peuvent être suivis dans des expériences à l'aide de matériel EEG et scanner IRM différent de celui que nous avons utilisé.
Ici, nous avons démontré les méthodes d'acquisition qui SHOULd suivre pour acquérir des données EEG et IRMf haute qualité. Nous avons utilisé un stimulus visuel basé sur un paradigme de relance précédemment employé 24. Cependant, les mêmes techniques d'acquisition de données peuvent être appliquées indépendamment du paradigme utilisé pour stimuler l'activité cérébrale d'intérêt. Lors du choix de votre modèle, il convient de noter que la qualité des données de l'EEG qui peuvent être obtenus lors de l'enregistrement à l'intérieur de l'environnement MR avec les techniques actuellement disponibles pour les utilisateurs (et décrite ici) toujours placer certaines limites à l'activité du cerveau qui peut être étudié: il ya des difficultés particulières en enregistrant l'activité EEG en bas (<5 Hz) et à haute fréquence (> 80 Hz) des bandes où impulsion résiduelle et des artefacts de gradient peut résider. En outre, il faut prendre soin lors du choix du paradigme de sorte que la possibilité d'un mouvement de sujet lié à la tâche est minimisé. C'est un problème parce que les artefacts de mouvement dans les données de l'EEG sont souvent difficiles à corriger les artefacts et les petits peuvent êtredifficile d'identifier clairement, mais ils peuvent encore dominer signaux neuronaux. Ces artéfacts de mouvement peuvent provoquer des fausses corrélations mais plausible avec les données IRMf 17.
Méthodes de post-traitement pour une utilisation simultanée EEG-IRMf sont nombreuses et en tant que tels leur discussion dépasse le cadre de ce travail. Comme mentionné précédemment, le gradient et artefact d'impulsion peut être enlevé en utilisant un certain nombre de techniques qui comprennent moyenne artefact soustraction 18,19, analyse en composantes indépendantes 20,21, base optimale fixe 22 et 25 formateurs de voie. Souvent, une combinaison de ces méthodes peut être utilisée 23 et le rendement des procédés est dépendant de facteurs tels que l'intensité du champ magnétique et le paradigme utilisé. Les méthodes de post-traitement optimaux pour une étude spécifique dépendront également les signaux d'extraire des données, qu'il s'agisse des rythmes oscillants ou potentiels évoqués peuvent avoir une influence sur le Pôméthodes st-traitement employées.
Bien qu'il y ait beaucoup de recherches en cours visant à améliorer l'acquisition et l'analyse des méthodes de données pour une utilisation simultanée EEG-IRMf, il est déjà possible, en utilisant les techniques décrites ici, pour répondre à des questions importantes en neurosciences qui nécessitent la combinaison de la haute résolution spatiale de l'IRMf et l' excellente résolution temporelle de l'EEG.
The authors have nothing to disclose.
Nous tenons à remercier le cerveau Products GmbH pour fournir leur équipement, d'expertise et aider à la réalisation de ce travail. Nous tenons également à remercier Glyn Spencer, de l'Université de Nottingham, dans l'aide à la production de la vidéo. Nous remercions également l'ingénierie et physique Conseil de recherche en sciences (EPSRC), EP/J006823/1 et de l'Université de Nottingham pour financer cette recherche.
Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
3T MR scanner | Here we use a Philips Achieva but any MR scanner should work. | ||
BrainVision Recorder | Brain Products GmbH | BP-00010 | 1st License item |
BrainVision RecView | Brain Products GmbH | BP-00051 | basis module |
BrainAmp MR plus | Brain Products GmbH | BP-01840 | single amplifier |
BrainAmp USB Adapter | Brain Products GmbH | BP-02041 | BUA64 |
SyncBox | Brain Products GmbH | BP-02675 | SyncBox complete |
Fibre Optic cables and USB connectors | Brain Products GmbH | BP-02300 (FOC5) BP-02310 (FOC20) BP-02042 USB2 Cable) | These come with the above listed equipment. |
BrainCap MR | EASYCAP GmbH | BP-03000-MR | 32 channel EEG cap for use in MR |
Abralyte 2000 conductive Gel | Brain Products GmbH | FMS-060219 | Conductive and abrasive gel to connect electrodes to scalp |
Isopropyl Alcohol BP | Brain Products GmbH | FMS-060224 | To be applied before Abralyte Gel. Isopropylalcohol 70% (60 ml)-for degreasing the skin |
Cotton tipped swab | Brain Products GmbH | FMS-060234 | For application of Abralyte and Isopropyl Alcohol. Cotton Swabs Non-sterile, 100 pieces |