Samtidig electroencephalography (EEG) og funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) er en kraftig neuroimaging verktøyet. Men danner innsiden av en MR skanner et vanskelig miljø for EEG data opptak og sikkerhet må vurderes når du håndterer EEG utstyr inne i en skanner. Her presenterer vi en optimalisert EEG-fMRI datainnsamling protokollen.
Samtidig EEG-fMRI lar utmerket tidsmessig oppløsning av EEG skal kombineres med høy romlig nøyaktigheten av fMRI. Dataene fra disse to modaliteter kan kombineres på en rekke måter, men alle er avhengige av kjøpet av høykvalitets EEG og fmri data. EEG-data innhentet ved samtidig fMRI påvirkes av flere gjenstander, blant annet gradient gjenstanden (på grunn av de skiftende magnetfelt gradienter som kreves for fMRI), pulsen gjenstanden (knyttet til hjerte-syklus) og bevegelse artefakter (som følge av bevegelser i den sterke magnetiske felt av skanneren, og muskelaktivitet). Post-prosessering metoder for å lykkes korrigere gradient og puls gjenstander krever en rekke kriterier som skal oppfylles i løpet av datainnsamling. Minimere hodet bevegelse under EEG-fMRI er også viktig for å begrense utvikling av gjenstander.
Interaksjoner mellom radiofrekvens (RF) pulser som kreves for MR og the EEG maskinvare kan forekomme og kan forårsake oppvarming. Dette er bare en betydelig risiko dersom retningslinjene for sikkerhet ikke er fornøyd. Maskinvare utforming og konfigurasjon, så vel som omhyggelig utvalg av hvilke MR-sekvenser blir drevet med EEG maskinvare tilstede må derfor tas i betraktning.
De ovennevnte problemstillinger markere betydningen av valget av den eksperimentelle protokollen benyttes når du utfører en samtidig EEG-fMRI eksperiment. Basert på tidligere forskning beskriver vi en optimal eksperimentelt oppsett. Dette gir høy kvalitet EEG-data ved samtidig fMRI ved bruk av kommersielle EEG og fMRI-systemer, med noen sikkerhetsrisiko til emnet minimert. Vi viser dette oppsettet i en EEG-fMRI eksperiment ved hjelp av en enkel visuell stimulans. Imidlertid kan mye mer kompleks stimuli benyttes. Her viser vi EEG-fMRI set-up med en Brain Products GmbH (Gilching, Tyskland) MRplus, 32-EEG system i forbindelse med en Philips Achieva (Best, Nederland) 3T MR skanner, selv omMange av de teknikker som er overførbar til andre systemer.
Samtidig electroencephalography (EEG) og funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) gjør den utmerkede temporal oppløsning på EEG skal kombineres med høy romlig nøyaktigheten av fMRI. Det finnes en rekke måter på hvilke dataene fra disse to modaliteter kan kombineres 1, men alle er avhengige av kjøpet av høykvalitets EEG og fmri data. Til dags dato har samtidig EEG-fMRI blitt brukt til å studere sammenhengen mellom oscillasjon rytmer (målt med EEG) og blod oksygenering svar (ved hjelp av blod oksygenering nivå avhengig (BOLD) fMRI) for eksempel 2,3. Det har også blitt brukt til å undersøke om egenskapene til fremkalt signal kan forklare variansen i BOLD signal på en prøve-by-prøveordning 4,5. I kliniske studier den viktigste bruken av teknikken har vært å undersøke foci av interiktal epileptiske utladninger, som kan hjelpe i kirurgisk planlegging og er for tiden vanskelig å lokalisere non-invasiv6,7. For å oppnå fusjon av EEG og fMRI data som er ønskelig, er det viktig å ha høy kvalitet på dataene fra begge modaliteter. Men EEG-data innhentet ved samtidig fMRI påvirkes av flere gjenstander, blant annet gradient gjenstanden (på grunn av de skiftende magnetiske felt som kreves for fMRI), pulsen gjenstanden (knyttet til hjerte-syklus) og bevegelse artefakter (som følge av bevegelser i den sterke Magnetfeltet til skanneren, samt muskel-aktivitet). Disse gjenstandene er betydelig større enn den nevrale aktiviteten av interesse og dermed reduksjon (ved kilden) og korrigering av gjenstander (via post-prosessering) er begge nødvendig for å muliggjøre en vellykket gjennomføring av samtidige EEG-fMRI.
Den post-prosessering metoder som er tilgjengelige for å korrigere gradient og puls gjenstander krever en rekke kriterier være oppfylt i løpet av datainnsamling for å produsere høy kvalitet EEG-data. I løpet av det forrige tiåret optimal eksperimentelt oppsett for opptak av høy kvalitet data har utviklet seg som vår forståelse av årsakene til gjenstander 8-10 har forbedret og vi har lært hvordan du endrer eksperimentelle metoder, slik som å redusere artefakter ved kilden 11,12 og for å forbedre resultatene av post-prosessering korreksjon algoritmer. Denne utviklingen omfatter bedre prøvetaking av gradient bølgeformer gjennom synkronisering av scanner klokker 13,14 og bruk av en vectocardiogram 15,16 for å gi et renere hjerte spor enn den tradisjonelle EKG. Den vectocardiogram spor er hentet fra fire elektroder plassert på brystet med en streng low-pass filter ansatt 14-16. Som et resultat av dette spor er forholdsvis upåvirket av gradient gjenstander, og er ufølsom for blodstrømmen gjenstand gjør R-toppdeteksjon enklere. Men er anlegget for å spille inn en vectocardiogram ikke tilgjengelig på alle MRI-skannere og derfor vil bare bli nevnt kort i denne study. Betydningen av minimering av gjenstander og strenge rengjøring av data har vært fremhevet av den siste demonstrasjonen som bevegelsesfeil registrert i EEG-data kan korrelere med BOLD aktivitet som ikke er relatert til oppgaven med interesse, produsere falske resultater hvis ekstrem omsorg er ikke tatt hele eksperimentell prosess 17.
Metoden som presenteres her representerer dagens optimale tilnærmingen for å oppnå høy kvalitet EEG og fMRI data samtidig bruke MR hardware og pulssekvenser som er allment tilgjengelig, sammen med kommersielt levert EEG utstyr. Gjennomføring av den foreslåtte oppkjøpet metode, i forbindelse med bruk av hensiktsmessige etterbehandling metoder, vil gi EEG og fMRI data som kan brukes til å svare på en rekke viktige nevrovitenskap spørsmål.
Generelle råd Siden den fysiske utformingen av alle scanner rommene er forskjellige vi anerkjenner at du ikke kan være i stand til å plassere dine EEG forsterkere utenfor boringen i magneten. I dette tilfellet et godt kompromiss er å plassere forsterkere på en tykk gummi pad, slik som å kople dem fra skanneren vibrasjoner som mye mulig. Hvis du finner ut at gradient gjenstand korreksjonen ikke fungerer godt, så sjekk ganger mellom volum eller slice markører, som det er sannsynlig i dette tilfellet at TR som har vært innspill til MR-konsollen er ikke nettopp TR som blir generert . I dette tilfellet må du kontakte den aktuelle MR skanner for ytterligere assistanse.
De viktigste trinnene i prosessen med EEG datainnsamling under samtidig fMRI er de som er tatt for å sikre at alle eksterne støykilder er minimert (f.eks cyrocooler pumper og vibrasjon av EEG utstyr). Til allow optimal gradient gjenstand korreksjon er det viktig å sikre at EEG og MR skanner klokker er synkronisert, er stykket TR et multiplum av skanneren klokke periode og at motivet er optimalt plassert. For å sikre optimale puls artefakt korreksjon mange teknikker krever et rent hjerte spor som R-topper kan oppdages, foreslår vi at dette kan best oppnås ved hjelp av en VCG, men det er også mulig med en godt posisjonert EKG-avledning. Ved hjelp av EKG så er det anbefalt å plassere denne på bunnen av ryggen for å maksimalisere signal-til-støy-forhold til R-topp med fordelen av denne være en lettere for å få tilgang enn en posisjon i nærheten av hjertet 23.. Plassering av EKG-avledning på brystet resulterer i bevegelsesfeil grunn respirasjon blir lagt til spor fra denne bly samt forårsaker gradient gjenstand for å variere over tid. Dette kan resultere i spor mette og / eller gradient gjenstand korreksjonen ikke virker på grunn av mal variabilitetog derfor ikke anbefales.
General Discussion EEG-fMRI er et kraftig verktøy for å studere hjernens funksjon, som den høye temporal oppløsning på EEG kan kombineres med høy romlig oppløsning av fMRI. Hittil har en rekke studier brukt denne multi-modal tilnærming for å få en bedre forståelse av hjernens funksjon. EEG-fMRI har vært brukt til friske frivillige for å undersøke sammenhengen mellom oscillasjon rytmer (målt med EEG) og blod oksygenering svar (med BOLD fMRI) for eksempel 2,3. Det har også blitt brukt til å undersøke om egenskapene til fremkalt signalet kan forklare den variansen i BOLD-signalet på en prøve-til-prøve basis 4,5. I kliniske studier den viktigste bruken av teknikken har vært å undersøke foci av interiktal epileptiske utladninger som er iboende vanskelig å lokalisere non-invasiv 6,7. Disse eksemplene viser kraften i denne multi-modal imaging verktøyet. Men for å gjøre det mulig å studere slike fenomener, er det viktig å ha tilgang til best mulig kvalitet på EEG og MR data. For å oppnå dette inne i MR skanner er det viktig å ha den beste eksperimentelle oppsett og også å velge den mest hensiktsmessige analysemetoder. De optimale analysemetoder vil i noen grad være avhengig av problemstillingen av interesse, som blir korreksjonsfaktorene metoder som brukes for fjerning av gjenstander. For eksempel størrelsen og antall bevegelser som har skjedd under innspillingen vil bestemme den mest effektive kombinasjonen av algoritmer for å fjerne gradient gjenstand. Imidlertid er den optimale eksperimentelle oppsett av EEG og fMRI hardware relativt uavhengig av bestemte problemstillinger. Retningslinjene her er derfor av generell verdi og kan følges i eksperimenter med ulike EEG og MR skanner hardware enn vi pleide.
Her har vi demonstrert innsamlingsmetode som Should skal følges for å skaffe høy kvalitet EEG og fMRI data. Vi brukte en visuell stimulans basert på en tidligere ansatt stimulans paradigmet 24. Imidlertid kan de samme teknikker for datainnsamling kunne anvendes uavhengig av paradigmet som brukes til å stimulere hjernen aktivitet av interesse. Når du velger paradigmet det bør bemerkes at kvaliteten på EEG-data som kan oppnås ved opptak inne i MR miljø med teknikker for tiden tilgjengelig for brukere (og beskrevet her) fortsatt legger noen begrensninger på hjernens aktivitet som kan studeres: det er særlige vansker i opptak EEG aktivitet i lave (<5 Hz) og høy frekvens (> 80 Hz) band der gjenværende puls og gradient gjenstander kan ligge. I tillegg må man være forsiktig når du velger paradigmet slik at muligheten for faget bevegelse relatert til oppgaven er minimert. Dette er et problem fordi bevegelsesfeil i EEG-data er ofte vanskelig å korrigere og små gjenstander kan værevanskelig å identifisere tydelig, selv om de fremdeles kan dominere neuronal signaler. Disse bevegelsesfeil kan føre til falske, men plausible sammenhenger med fMRI data 17.
Post-prosessering metoder for samtidig EEG-fMRI er mange og som sådan diskusjonen deres er utenfor rammen av dette arbeidet. Som tidligere nevnt gradient og puls gjenstand kan fjernes ved hjelp av en rekke teknikker som inkluderer gjennomsnittlig gjenstand 18,19 subtraksjon, uavhengig komponent analyse 20,21, setter optimal basis 22 og beamformers 25. Ofte er en kombinasjon av disse fremgangsmåter kan anvendes 23 og utførelsen av fremgangsmåtene er avhengig av faktorer såsom den magnetiske feltstyrke og paradigmet benyttes. Den optimale post-prosessering metoder for en bestemt studie vil også avhenge av signalene for å trekke ut fra dataene, enten disse er oscillasjon rytmer eller fremkalt respons kan ha en innflytelse på post-behandlingen metoder ansatt.
Mens det er betydelig pågående forskning rettet mot forbedret datainnsamling og analyse metoder for samtidig EEG-fMRI, er det allerede mulig, ved hjelp av teknikker som er beskrevet her, for å svare på viktige nevrovitenskap spørsmål som krever en kombinasjon av høy romlig oppløsning på fMRI og utmerket tidsmessig oppløsning av EEG.
The authors have nothing to disclose.
Vi vil gjerne takke Brain Products GmbH for å gi deres utstyr, kompetanse og hjelp til å lage dette arbeidet. Vi vil også gjerne takke Glyn Spencer, University of Nottingham, i å bistå med produksjon av video. Vi takker også Engineering and Physical Science Research Council (EPSRC), EP/J006823/1 og University of Nottingham for å finansiere denne forskningen.
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 |