Gleichzeitige Elektroenzephalographie (EEG) und der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI) ist ein leistungsfähiges Werkzeug Neuroimaging. Allerdings bildet das Innere eines MRI-Scanner in einem schwierigen Umfeld für EEG Datenaufzeichnung und Sicherheit berücksichtigt werden müssen, wenn Betrieb EEG Geräte innerhalb eines Scanners werden. Hier präsentieren wir ein optimiertes EEG-fMRI Datenerfassung Protokoll.
Simultane EEG-fMRI ermöglicht die hervorragende zeitliche Auflösung der EEG mit der hohen räumlichen Genauigkeit von fMRI kombiniert werden. Die Daten aus diesen zwei Modalitäten können in einer Anzahl von Weisen kombiniert werden, aber alle auf den Erwerb von hochwertigen EEG und fMRI Daten. EEG-Daten bei gleichzeitiger fMRI erworben werden, durch mehrere Artefakte, darunter der Steigung Artefakt (aufgrund der sich ändernden Magnetfeld-Gradienten für fMRI erforderlich), der Puls Artefakt (im Zusammenhang mit dem Herz-Kreislauf) und Bewegungsartefakte (resultierend aus Bewegungen in dem starken Magnetfeld beeinflusst Bereich der Scanner und Muskelaktivität). Post-processing Methoden für die erfolgreiche Korrektur der Steigung und Puls Artefakte erfordern eine Reihe von Kriterien, die bei der Datenerfassung zufrieden sein. Minimierung Kopfbewegung während EEG-fMRI ist auch unerlässlich für das Entstehen von Artefakten.
Wechselwirkungen zwischen der Hochfrequenz-(HF)-Pulse für MRI und th erforderliche EEG Hardware auftreten können und Heizung führen. Dies ist nur ein erhebliches Risiko, wenn Sicherheitsrichtlinien nicht erfüllt sind. Hardware-Design und Set-up, sowie die sorgfältige Auswahl der dem MR-Sequenzen mit dem EEG vorhandene Hardware ausgeführt werden, müssen daher in Betracht gezogen werden.
Die oben genannten Fragen unterstreichen die Bedeutung der Wahl des experimentellen Protokolls eingesetzt werden, wenn die Durchführung einer gleichzeitigen EEG-fMRI Experiment. Basierend auf früheren Forschungen beschreiben wir eine optimale Versuchsanordnung. Dies garantiert eine hohe Qualität bei gleichzeitiger EEG-Daten fMRI beim Einsatz kommerzieller EEG und fMRT-Systeme, mit Sicherheits-Risiken für die Versuchsperson minimiert. Wir zeigen dieses Set-up in einer EEG-fMRI Experiment mit einem einfachen visuellen Reiz. Jedoch können sehr viel komplexer Stimuli verwendet werden. Hier zeigen wir die EEG-fMRI-Set-up mit einem Brain Products GmbH (Gilching, Deutschland) MRplus, 32-Kanal-EEG-System in Verbindung mit einem Philips Achieva (Best, Niederlande) 3T MR-Scanner, obwohlviele der Techniken sind auf andere Systeme.
Gleichzeitige Elektroenzephalographie (EEG) und der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI) ermöglicht die hervorragende zeitliche Auflösung der EEG mit der hohen räumlichen Genauigkeit von fMRI kombiniert werden. Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, wie die Daten aus diesen zwei Modalitäten 1 kombiniert werden, aber alle auf den Erwerb von hochwertigen EEG und fMRI Daten. Bis heute hat die gleichzeitige EEG-fMRI verwendet worden, um die Korrelation zwischen schwingenden Rhythmen (gemessen mit EEG) und Blutoxygenierung Antworten (mit Blutoxygenierung pegelabhängigen (BOLD) fMRT) zB 2,3 studieren. Es wurde auch verwendet, um zu untersuchen, ob die Merkmale der evozierten Signal kann die Varianz in der BOLD-Signal auf einer trial-by-probeweise 4,5 erklären. In klinischen Studien der wichtigste Einsatz der Technik war es, die Herde interiktalen epileptischen Entladungen, die in OP-Planung helfen können, zu untersuchen und sind derzeit schwierig, nicht-invasiv lokalisieren6,7. Um die Verbindung von EEG und fMRI Daten, die erwünscht ist zu erreichen, ist es wichtig, hochwertigen Daten aus beiden Modalitäten haben. Allerdings sind EEG-Daten bei gleichzeitiger fMRI erworben durch mehrere Artefakte, darunter der Steigung Artefakt (aufgrund der sich ändernden Magnetfeldern für fMRI erforderlich), der Puls Artefakt (im Zusammenhang mit dem Herz-Kreislauf) und Bewegungsartefakte (resultierend aus Bewegungen in der starken betroffen Magnetfeld des Scanners sowie Muskel-Aktivität). Diese Artefakte sind deutlich größer als die neuronale Aktivität von Interesse und daher Reduktion (an der Quelle) und Korrektur der Artefakte (via Post-Processing) sind beide notwendig, um eine erfolgreiche Umsetzung der simultanen EEG-fMRI aktivieren.
Die Nachbearbeitung derzeit verfügbaren Methoden zur Korrektur der Steigung und Puls Artefakte erfordern eine Reihe von Kriterien, die bei der Datenerfassung erfüllt werden, um eine hohe Qualität EEG-Daten zu erzeugen. Im Laufe des vergangenen Jahrzehnts die optimal Versuchsaufbau für die Aufnahme qualitativ hochwertiger Daten hat wie unser Verständnis der Ursachen der Artefakte 8-10 verbessert hat sich weiterentwickelt und wir haben gelernt, wie experimentelle Methoden so zu modifizieren, um die Artefakte an der Quelle zu reduzieren und 11,12 zur Verbesserung Leistung der Post-Processing-Algorithmen zur Korrektur. Zu diesen Entwicklungen gehören die Verbesserung der Abtastung des Gradientenwellenformen durch Synchronisation von Uhren Scanner 13,14 und die Verwendung eines vectocardiogram 15,16 um eine sauberere kardialen Ablaufverfolgung als die traditionellen EKG bieten. Die vectocardiogram Spur von vier Elektroden auf der Brust mit einem strengen Tiefpassfilter eingesetzt 14-16 platziert abgeleitet. Als Ergebnis der Trace relativ unbeeinflusst von Gradienten Artefakte und ist unempfindlich gegen den Blutstrom Artefakt Herstellung R-Peak-Detektion zu erleichtern. Allerdings ist die Möglichkeit, einen vectocardiogram aufzeichnen nicht auf allen MRT-Scanner zur Verfügung und wird daher nur kurz in diesem s genannt werdentudy. Die Bedeutung der Minimierung von Artefakten und strenge Reinigung der Daten wurde durch die jüngste Demonstration hervorgehoben, dass Bewegungsartefakte in den EEG-Daten aufgenommen wurden, können mit BOLD-Aktivität in keinem Zusammenhang mit der Aufgabe von Interesse korrelieren, Herstellung falschen Ergebnissen, wenn extreme Vorsicht ist nicht ganz das gemacht experimentellen Prozess 17.
Die hier vorgestellte Methode stellt die aktuelle optimale Ansatz zur Gewinnung von hochwertigen EEG und fMRI-Daten gleichzeitig mit Hard-und MR-Pulssequenzen, die überall erhältlich sind, zusammen mit kommerziell gelieferten EEG Ausrüstung. Die Umsetzung der vorgeschlagenen Übernahme Verfahren in Verbindung mit der Verwendung von entsprechenden Nachbearbeitung Methoden, erbringt EEG und fMRI-Daten, die verwendet werden, um eine Reihe von wichtigen Fragen zu beantworten Neurowissenschaften werden kann.
Allgemeine Hinweise Da die physikalische Layout aller Scanner Zimmer ist anders wir erkennen, dass Sie möglicherweise nicht in der Lage, Ihre EEG Verstärker außerhalb der Bohrung des Magneten zu positionieren. In diesem Fall wird ein guter Kompromiss ist der Verstärker auf einem dicken Gummiauflage so zu platzieren, um sie aus dem Scanner Vibrationen so viel wie möglich zu entkoppeln. Wenn Sie feststellen, dass der Gradient Artefaktkorrektur nicht gut funktioniert, dann überprüfen Sie die Zeiten zwischen Volumen oder Slice-Marker, wie es wahrscheinlich ist, in diesem Fall, dass die TR, die Eingabe für den MR-Konsole ist nicht gerade die TR, die erzeugt wird . In diesem Fall müssen Sie die entsprechende MR Scanner-Hersteller, um weitere Unterstützung zu kontaktieren.
Die wichtigsten Schritte im Prozess der EEG Datenerfassung bei gleichzeitiger fMRI sind diejenigen getroffen werden, um sicherzustellen, dass alle externen Lärmquellen wurden minimiert (zB cyrocooler Pumpen und Vibration des EEG-Ausrüstung). Um allow optimalen Gradienten Artefaktkorrektur ist es wichtig, sicherzustellen, dass die EEG-und MR-Scanner synchronisiert sind, ist die Scheibe TR ein Vielfaches der Taktperiode Scanner und daß das Problem der optimalen Position befinden. Um die optimale Puls Artefaktkorrektur viele Techniken erfordern eine saubere kardialen Ablaufverfolgung, aus dem R-Peaks detektiert werden kann, empfehlen wir, dass dies am besten erreicht werden kann, mit einem VCG, es ist aber auch mit einem gut positioniert EKG möglich. Bei Verwendung des EKG dann empfiehlt es sich, diese an der Unterseite der Rückseite, um auf das Signal-Rausch-Verhältnis der R-Spitze mit dem zusätzlichen Vorteil, da dies ein einfacher Site als eine Position nahe dem Herzen 23 zugreifen zu maximieren. Positionierung der EKG-Ableitung auf der Brust Ergebnisse in Bewegungsartefakte durch Atmung an die Spur von dieser Führung sowie das Verursachen des Gradienten Artefakt zu variieren im Laufe der Zeit hinzugefügt. Dies kann in der Trace-Sättigung und / oder Gradienten Artefaktkorrektur führen nicht Arbeiten durch Vorlage Variabilitätund wird daher nicht empfohlen.
General Discussion EEG-fMRI ist ein leistungsfähiges Werkzeug für das Studium Gehirnfunktion, wie die hohe zeitliche Auflösung der EEG kann mit der hohen räumlichen Auflösung der fMRT kombiniert werden. Bisher wurden eine Reihe von Studien dieses multimodale Ansatz verwendet werden, um ein besseres Verständnis der Funktion des Gehirns zu gewinnen. EEG-fMRI hat bei gesunden Probanden angewendet wurde, um die Korrelation zwischen schwingenden Rhythmen (gemessen mit EEG) und Blutoxygenierung Antworten (mit BOLD fMRI) zB 2,3 untersuchen. Es wurde auch verwendet, um zu untersuchen, ob Merkmale der evozierten Signal kann die Varianz in der BOLD-Signal auf einer trial-by-probeweise 4,5 erklären. In klinischen Studien der wichtigste Einsatz der Technik war es, die Herde interiktalen epileptischen Entladungen, die von Natur aus schwierig, nicht-invasiv zu lokalisieren 6,7 sind zu untersuchen. Diese Beispiele zeigen, die Macht dieser multimodalen Bildgebunging-Tool. Um jedoch die Untersuchung solcher Phänomene ermöglichen, ist es wichtig, den Zugriff auf die bestmögliche Qualität der EEG-und MRI-Daten. Um dies zu erreichen im MR-Scanner ist es wichtig, die beste experimentelle Aufbau und auch die am besten geeignete Analysemethoden zu wählen. Die optimale Analyseverfahren hängt in gewissem Umfang von der Fragestellung von Interesse ab, was für die Korrekturverfahren zum Entfernen von Artefakten eingesetzt. Beispielsweise kann die Größe und die Anzahl von Bewegungen, die während der Aufzeichnung stattgefunden haben ermitteln die effektive Kombination von Algorithmen zur Entfernung des Gradienten Artefakt. Allerdings ist die optimale Versuchsanordnung des EEG und fMRT Hardware relativ unabhängig von bestimmten Fragestellungen. Die hier aufgeführten Richtlinien sind daher von allgemeinem Wert und kann in Experimenten mit verschiedenen EEG-und MR-Scanner-Hardware als wir es gewohnt folgen.
Hier haben wir die Akquisition Methoden, die Schulter gezeigtd gefolgt, um qualitativ hochwertige EEG und fMRI-Daten zu erwerben. Wir benutzten einen visuellen Reiz auf einem bisher eingesetzten Stimulus Paradigma 24 basiert. Jedoch können die gleichen Techniken für die Datenerfassung unabhängig von dem Paradigma verwendet, um die Gehirnaktivität von Interesse zu stimulieren angewendet werden. Bei der Wahl Paradigma ist zu beachten, dass die Qualität der EEG-Daten, die erzielt werden, wenn die Aufnahme im MR-Umgebung mit den Techniken, die derzeit für die Nutzer (und hier beschrieben) noch legen einige Beschränkungen für die Aktivität des Gehirns, die untersucht werden können, können sein: gibt es besondere Schwierigkeiten bei der Aufzeichnung in EEG-Aktivität gering (<5 Hz) und hochfrequenten (> 80 Hz), wo Bands Restpuls und Gradienten Artefakte befinden. Zusätzlich ist zu beachten, wenn die Wahl der Paradigma so dass die Möglichkeit der Bewegung des Subjekts im Zusammenhang mit der Aufgabe, minimiert wird. Dies ist ein Problem, weil Bewegungsartefakte in den EEG-Daten oft schwer richtig und kleine Artefakte könnenschwierig, klar zu identifizieren, auch wenn sie vielleicht noch neuronale Signale dominieren. Diese Bewegungsartefakte können störende, aber plausiblen Korrelationen mit der fMRI-Daten 17 verursachen.
Post-processing Methoden zur simultanen EEG-fMRI sind zahlreich und als solche ihre Diskussion würde den Rahmen dieser Arbeit. Wie bereits erwähnt, die Steigung und Puls Artefakt kann mit Hilfe einer Reihe von Techniken, die durchschnittlich 18,19 Artefakt Subtraktion, Independent Component Analysis 20,21 umfassen soll, setzt optimale Basis 22 und 25 Strahlformern. Oft ist eine Kombination dieser Methoden 23. Mai eingesetzt werden und die Leistung der Methoden ist abhängig von Faktoren, wie der magnetischen Feldstärke und dem Paradigma. Die optimale Nachbearbeitung Methoden für eine bestimmte Studie wird auch auf die Signale aus den Daten extrahieren abhängen, ob diese schwingende Rhythmen oder evozierte Potentiale sind, können einen Einfluss auf die po habenst-Verarbeitung eingesetzten Methoden.
Zwar gibt es erhebliche laufende Forschung Targeting verbesserte Datenerfassung und Analyse-Methoden zur simultanen EEG-fMRI, ist es bereits möglich, mit Hilfe der hier beschriebenen Techniken, um wichtige Fragen, die Neurowissenschaften die Kombination der hohen räumlichen Auflösung der fMRT und erfordern beantworten exzellente zeitliche Auflösung der EEG.
The authors have nothing to disclose.
Wir möchten Brain Products GmbH für die Bereitstellung ihrer Ausrüstung, Know-how danken und helfen bei der Herstellung dieser Arbeit. Wir würden auch gerne Glyn Spencer, University of Nottingham, in die Unterstützung bei der Produktion des Videos danken. Wir danken auch Engineering and Physical Science Research Council (EPSRC), EP/J006823/1 und University of Nottingham für die Finanzierung dieser Forschung.
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 |