Summary
Dette papir beskriver en metode til indsamling og analyse electroencefalografi (EEG) data under samtidig transkraniel magnetisk stimulation (TMS) styret af aktiveringer afsløret med funktionel magnetisk resonans (fMRI). En metode til TMS artefakt fjernelse og udvinding af event potentialer beskrives samt overvejelser i paradigme design og forsøgsopstilling.
Abstract
Transcranial Magnetisk Stimulation (TMS) er en effektiv metode til at etablere en årsagssammenhæng mellem et kortikale område og kognitive / neurofysiologiske effekter. Konkret ved at skabe en forbigående forstyrrelse med den normale aktivitet af en målområde og måling af ændringer i en elektrofysiologiske signal, kan vi fastslå en årsagssammenhæng mellem den stimulerede hjerne område eller netværket og elektrofysiologiske signal, vi registrerer. Hvis målet hjernen områder funktionelt er defineret med tidligere fMRI scanning, kunne TMS bruges til at forbinde fMRI aktiveringer med evoked potentialer registreres. Men gennemføre sådanne eksperimenter præsenterer betydelige tekniske udfordringer på grund af de høje amplitude artefakter indført i EEG-signalet ved den magnetiske puls, og det er vanskeligt at kunne målrette områder, der var funktionelt defineret af fMRI. Her beskriver vi en metode til at kombinere disse tre fælles værktøjer: TMS, EEG og fMRI. Vi forklarer, hvordan at vejlede stimulator & #39, s spole til det ønskede mål området ved hjælp af anatomiske eller funktionelle MRI data, hvordan du optager EEG under samtidig TMS, hvordan man kan designe en ERP-studie egnet til EEG-TMS kombination, og hvordan man kan udtrække pålidelig ERP fra de registrerede oplysninger. Vi vil give repræsentative resultater fra en tidligere offentliggjort undersøgelse, hvor fMRI-vejledt TMS blev anvendt samtidig med EEG at vise, at ansigt-selektive N1 og kroppen-selektive N1 komponent af ERP er forbundet med forskellige neurale netværk i extrastriate cortex. Denne metode giver os mulighed for at kombinere høj rumlig opløsning af fMRI med høj tidslig opløsning på TMS og EEG og dermed opnå en samlet forståelse af den neurale grundlag af forskellige kognitive processer.
Introduction
Transkraniel magnetisk stimulation (TMS) genererer momentan interferens med den normale neurale aktivitet i målområderne i hjernen. Ved at skabe denne forbigående neurale forstyrrelser og måle en adfærdsmæssig eller fysiologisk forandring, kan vi drage en årsagssammenhæng mellem målområdet og den målte eksperimentelle effekt (for en gennemgang se Pascual-Leone et al. Og Taylor et al. 1,2). En sådan eksperimentel virkning kan for eksempel være en ydeevne på en kognitiv opgave eller en ændring i elektrofysiologiske (EEG) aktivitet. Ja, i de senere år har forskere begyndt at bruge TMS i kombination med EEG til direkte relatere kortikale områder med event-relaterede potentialer (ERP) eller oscillerende aktivitet mønstre (fx 2-7). I denne metodologiske dokument vil vi beskrive en særlig og nyttig ramme for at kombinere TMS og EEG: fMRI-vejledt TMS under et ERP eksperiment. Først vil vi beskrive, hvordan at anvende TMS til områder foruddefineret af fMRI, mens du optager EEG-data. Vi vil derefter beskrive et eksperimentelt design, der giver udvinding af pålidelig ERP. Målet med et sådant eksperiment er at kausalt link områder i hjernen afsløret med funktionel MRI til ERP komponenter af interesse. Endelig vil vi give et konkret eksempel på en undersøgelse, der vedrører ansigt og krop selektiv ERP systemer med ansigt og krop selektive områder, der er afsløret med fMRI.
Hvad er fordelen ved at knytte EEG-signaler med fMRI aktiveringer? EEG og fMRI er almindeligt anvendt værktøjer til at måle kortikale reaktioner på visuelle input. For eksempel blev kategori-selektivitet i den visuelle vej vurderet for forskellige visuelle objekt kategorier såsom ansigter, kropsdele og skrevne ord, både ved hjælp af ERP udvundet EEG data 8,9 og funktionel MRI 10-12. De signaler, målt ved disse to fælles forskning værktøjer er imidlertid på fundamentalt forskellige. EEG bærer information om neurale elektrisk aktivitet med stor tidsmæssigpræcision, men meget lav rumlig opløsning og kan afspejle en blanding af mange separate underliggende kilder. FMRI giver et indirekte mål for neuronal aktivitet stole på de langsomme hæmodynamiske forandringer under stimulus præsentation og / eller opgave udførelse, men præsenterer denne aktivitet med en højere rumlig opløsning. Etablering af en sammenhæng mellem de to foranstaltninger kan således være af stor interesse, men er begrænset i, at det ikke indebærer en årsagssammenhæng mellem hovedbunden optaget elektrofysiologiske respons og de områder afsløret med funktionel MRI. Selv når målt samtidigt (f.eks 13-15), kan en retningsbestemt årsagssammenhæng mellem EEG og aktivitet i funktionelt definerede kortikale områder, der ikke kan bestemmes. TMS er et værktøj, der kan hjælpe opnå etableringen af en sådan årsagssammenhæng.
En samtidig EEG-TMS undersøgelsen er metodisk udfordrende, hovedsagelig på grund af den høje spænding artefakt introduceret til EEG signal by den magnetiske stimulation (se figur 1, for en gennemgang se Ilmoniemi et al. 16). Denne artefakt består af en forbigående kort levende puls-relaterede forstyrrelser, ofte efterfulgt af en langsommere sekundær (eller rest) artefakt, der kan vare et par hundrede millisekunder efter pulsen er leveret figur 2A, og dermed tvingende fleste ERP komponenter af interesse. Denne sekundære artefakt kan omfatte mekaniske kilder såsom strømme induceret af den magnetiske impuls i ledninger og den langsomme nedbrydning af disse strømme i huden, og fysiologiske kilder såsom muskulær aktivitet i hovedbunden og lydsignal eller somatosensoriske evoked potentials fremkaldt af driften af spolen 17-20. Selvom de mekaniske kilder til interferens sandsynligvis producerer større amplitude artefakter end de fysiologiske, kan disse forskellige artefakter ikke adskilles, og eksistensen af nogen af dem i signalet kan forvirre resultaterne. En mulig sålution er anvendelsen af gentagne TMS pulser før EEG-optagelse ("offline TMS"), i modsætning til samtidige EEG-TMS. Den hæmmende effekt af en sådan protokol om kortikal aktivitet fortsætter i flere minutter (og op til en halv time) efter stimulering, og EEG kan måles i løbet af denne effektive tidsvindue og sammenlignet med baseline, pre-TMS, EEG-data. Gentagne stimulation, er imidlertid per definition mangler den høje tidsopløsning at online TMS kan tilbyde, hvor pulser kan administreres på en præcis timing i forhold til retssagen debut på millisekund. Effekten af gentagne stimulation kan også forplanter via kortikale forbindelser på tværs af et bredere område end ønsket, og derfor reducere markant rumlig opløsning så godt.
At drage fordel af både den rumlige og tidsmæssige opløsning, som TMS kan give, kan en samtidig EEG-TMS kombination anvendes. Dette kræver dog fremgangsmåder til fjernelse af artefaktergenereret af den magnetiske stimulation på EEG-signal. Er blevet foreslået Meget få offline matematiske løsninger til TMS artefakt fjernelse 16,21,22, selvom ingen metode er aftalt, og ingen metode kan være optimal for alle eksperimentelle design. A "klipning"-system, som består af en prøve-og-hold kredsløb, blev også udviklet til at stoppe midlertidigt EEG erhvervelse under TMS puls levering 20. Denne teknik kræver ikke blot specialiseret hardware, men kan ikke helt fjerne den resterende TMS artefakt. I dette papir vil vi beskrive en tilpasning af et EEG-TMS metode udviklet af Thut og kolleger 19, særligt velegnet til ERP studier. Denne teknik muliggør pålidelig udvinding af ERP samtidig fjerne alle de resterende støjkomponenter forårsaget af TMS puls Figur 2.. Vi vil yderligere generel vejledning hen imod en vellykket EEG-TMS forsøgsopstilling.
En anden udfordring i TMS studier rettet in dette metodologiske dokument er at finde den bedste spole position og vinkel for en nøjagtig målretning af det ønskede kortikale område. Vi vil beskrive brugen af et stereotaktisk navigationssystem til coregister motivets hoved med de pre-overtagne funktionel MRI-billeder. Selvom navigationssystemet kan bruges til at lokalisere anatomisk definerede hjernens strukturer, en fMRI-guidet målretning er især nyttigt, da for mange funktioner og eksperimentelle effekter den nøjagtige placering af aktivering kan ikke udledes fra anatomiske markører alene. For sådanne funktionelle områder af interesse (ROI) er definitionen af et område for hver deltager individuelt.
For at illustrere alle de ovennævnte, vil vi give et eksempel på en undersøgelse, vi gennemførte tidligere, hvor EEG blev indspillet samtidig med TMS styret af fMRI aktiveringer 7. I denne undersøgelse blev en dobbelt dissociation mellem face-selektive og krop-selektive ERP systemer: skønt ansigt og krop ERP systemer ærtK omkring de samme latency og elektrodestederne, rettet individuelt definerede ansigt-selektive og krop-selektive områder i den laterale occipital lap det muligt for os at adskille de neurale netværk der ligger bag hver ERP svar. Endelig vil vi forsøge at give mere generel rådgivning til optimering af EEG optagelse under TMS ansøgning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Forsøget udføres i to separate sessioner. Under den første session en funktionel MRI eksperiment (fx en funktionel localizer) udføres med henblik på at definere de ønskede TMS indsatsområder på et individuelt emne basis. FMRI resultater føres derefter ind i et stereotaktisk navigationssystem for en nøjagtig TMS målretning. Den anden session afholdes efter analyse af fMRI-data, hvorunder EEG registreres i takt med TMS. Den her beskrevne protokol blev godkendt af den etiske komité i Tel-Aviv Sourasky Medical Center.
I eksemplet i dette papir blev data analyseret med Matlab-version 7.7 (R2008b). Det statistiske parametrisk Mapping (SPM 5) software til MATLAB og marsbar værktøjskasse til SPM 23 blev anvendt til databehandling fMRI.
1.. FMRI session og fMRI Data Analysis
- Kør en funktionel MRI opgave ved hjælp af et ekko planar billeddannelse (EPI) sequence for at bestemme den ønskede knudepunkter for aktivering for at være målrettet med TMS. For en bedre adskillelse mellem tilstødende områder, såsom OFA og EBA i nedenstående eksempel er høj opløsning scanning anbefales. Voxel af 3 mm 3 eller mindre, fremstillet med en MRI head-spole af 8 kanaler eller mere, er tilstrækkelige til at afgrænse de tilstødende regioner.
- Kør en T1-vægtet strukturelle scanning for at få neuroanatomiske data. Sørg for, at forsiden af deltageren helt indgår i synsfeltet af denne scanning, da eksterne markører på billedet (f.eks spidsen af næsen) vil blive senere brugt til at coregister motivets hoved med sin scanning.
- Efter indsamling af data, skal du bruge marsbar værktøjskasse til SPM at definere de ønskede områder af hjernen af interesse baseret på kontraster mellem de eksperimentelle betingelser. Brug kontrasterne står> objekter til at definere Occipital Face Samarbejdsområde (OFA), og organer> objekter til at definere Extrastirate Krop Samarbejdsområde (EBA). For yderligere at sikre thpå de to kortikale mål er funktionelt adskilte, brug "sammen" (i marsbar) at maskere fra hver ROI eventuelle voxler reagerer på andre eksperimentelle tilstand (udelukke face-voxel fra EBA, og krop-voxel fra OFA).
- Corregister de strukturelle T1 billeder med de funktionelle scanninger, ved hjælp af SPM.
- Kopier filerne fra den strukturelle scanningen, samt de relevante funktionelle kontrast filer til en bærbar drev for at uploade til navigationssystemet.
2.. Forberedelse et paradigme for EEG-TMS Experiment, der vil tillade ERP Extraction
Beskrevet i afsnittet nedenfor er en metode til indsamling af EEG data under TMS ansøgning på en måde, der tillader udvinding af pålidelige og reproducerbare ERP systemer 19.. Fordelen ved denne teknik er, at det nemt håndterer den sekundære, langtidsholdbare, TMS artefakt, og er robust nok selv til at tillade genoprettelse af data på elektroder placeret lige under TMS colie, hvor artefakt er af højeste spænding og længste varighed.
- Organisationen af paradigmet
- Kør de forskellige TMS betingelser (forskellige mål områder i hjernen, samt en no-TMS tilstand) i separate blokke.
- Inden for hver blok præsentere deltageren med alle stimulus betingelser (f.eks ansigter, objekter, scener og så videre), tilfældigt i en event-relateret design.
- For bedre kvalitet af ERP og TMS-støj skabelon (nedenfor) Sørg for at have mindst 50 forsøg pr tilstand.
- Indstil timingen af TMS puls / impulser til det ønskede latens efter billedet debut. Dette gøres via at skrive til en parallel port, hvorfra et kabel går til TMS stimulator. Denne funktion er tilgængelig i de fleste software til psykologiske eksperimenter, såsom Psychtoolbox (version 2 eller 3) for Matlab 24 eller E-Prime (se Materialer tabel). Jitter den inter stimulus interval (ISI) for at reducere stimulus (og puls) forudsigelighed (fx tilføje en tilfældig værdi mellem 0 til 500 msek ved hver ISI).
- Forbered en ekstra tom skærm tilstand:
- Forbered forsøg hvorunder TMS vil blive anvendt på samme intensitet, men uden stimulus præsentation på skærmen. Disse blank-screen TMS forsøg vil blive serveret til at beregne en TMS artefakt skabelon i fravær af visuel stimulation.
- Indstil antallet af gentagelser af de blanke forsøg at være identisk med antallet af gentagelser af et hvilket som helst af de eksperimentelle betingelser i blokken.
- For en nøjagtig gengivelse af formen af TMS resterende artefakt, randomisere de blanke forsøg gennem hele blokken snarere end at præsentere dem alle i starten eller i slutningen.
3.. Opsætning af EEG og Neuronavigation System, og Udførelse af eksperiment
Nøjagtige TMS målretning af individuelt definerede ROI'er er muligt med anvendelse af en stereotaktisk navinavigationssystem, der består af et infrarødt kamera, infrarøde sensorer monteret på deltagerens hoved, og en specialiseret software.
- Screen deltagere baseret på TMS sikkerhedsmæssige kriterier. Udeluk fra forsøgspersoner deltagelse med en selv eller familie historie af epilepsi, patienter med andre neurologiske lidelser eller med hyppige migræne, og emner på psykofarmaka. Selvom det ikke er typisk screenet for, kan patienter med mistanke om autonome lidelser såsom vasovagale synkoper (oftest manifesteret som en tendens til at besvime let), også være udelukket. Instruere deltagerne at undgå alkoholiske drikke starter forudgående aften, og koffeinholdige drikke mindst 2 timer før forsøget. For yderligere instruktioner og diskussion af sikkerhed se Rossi et al 25 og den Magstim sikkerhedsvurdering ( http://joedevlin.psychol.ucl.ac.uk/tms/docs/magstim_safety.pdf ).
- Forbered than neuronavigation system:
- Før sessionen starter, fodre de strukturelle scanningsfiler i navigationssystemets software.
- Overlejre funktionel MRI resultater (kontrasterne) på de strukturelle billeder.
- Ved hjælp af Neuronavigation software, markere de ønskede mål på billederne, samt de eksterne anatomiske markører, der vil tjene til coregistration: spidsen af næsen, den dybeste del af næseryggen ofte omtales som nasion og tragus af hvert øre.
- Monter EEG hætten på deltagerens hoved og tilslut elektroderne:
- Prøv at holde elektrode impedans ikke er højere end 5 kohm.
- For at undgå TMS-relateret opvarmning af elektroderne bruge så lidt gel som muligt. For at opnå en god impedans med lidt mængde gel udføre en grundig forberedelse hud. Eventuelt bede deltagerne om at vaske deres hår, før de kom til eksperimentet.
- Sørg for, at elektrodetrådene ikke krydser ealm hinanden og er orienteret væk fra spolens placering. Undgå sløjfer i ledningerne.
- Brug en høj samplingfrekvens for en bedre repræsentation af støj artefakt. Det anbefales at bruge 1 kHz eller højere, da de fleste tidligere undersøgelser ved hjælp af denne metode har gjort 7,26-28.
- Placer reference og jordelektroder så langt fra spolen som muligt. I dette eksempel blev områder i occipital cortex målrettet ved hjælp af en næse reference og en Fz jorden 7. For andre eksempler se 3,4,27,29,30. Bemærk, at data kan genbruges refereres offline til en ny henvisning efter behov, såsom den fælles gennemsnit.
Note: For en anmeldelse om optimering af TMS-EEG setup, se Veniero et al 31.
- Coregister emnet hoved med scanningen, som følger:
- Monter de infrarøde detektorer på deltagerens hoved.
- Coregister hovedet placering med navigationssystemet ved hjælp af de foruddefinerede markører (tipaf næsen, osv. Se figur 3). Det tilrådes at gentage coregistration mellem blokke for at sikre nøjagtig spole placering på alle stadier.
- Find målområderne:
- Har emnet siddende med hagen hvilende på en chinrest i den ønskede afstand fra skærmen.
- Sørg for, at deltagerne er komfortabel på deres stol, da de bliver bedt om at afstå fra bevægelser under de eksperimentelle blokke (vigtigt for en nøjagtig støj-skabelon-måling).
- Vælg et TMS mål fra navigationssystemet Figur 3..
- Hjælp af værktøjet Pointer (se Materialer Table), lad navigationssystemet guide brugeren til den optimale spole placering og markere det med en lille mærkat på elektrode cap. Det er vigtigt at holde markøren vinkelret på hovedet. Gentag dette trin forud for hver blok. Bemærk at det ikke anbefales at bruge online-sejlads i blokken (navigere spolenselv, mens du holder den), da enhver spole bevægelse bør undgås efter en bedste måling af TMS artefakt skabelon. Det konstateredes, at predefining og mærkning TMS placering er den optimale måde at opnå en stabil stimulation.
- Guide spolen præcise center til markøren, mens det holdes af en holder. Sørg for at det tangerer hovedet.
- Indstil TMS intensitet til den ønskede værdi. Indgiv en test puls for deltageren godkendelse.
- Kør den eksperimentelle blok.
- No-TMS betingelse: Hvis en specialiseret fingeret TMS spole ikke er tilgængelig, skal du placere TMS spole ved siden af emnet hoved og vip den i 90 °. Kør blokken som sædvanlig, inklusive de blanke forsøg.
Læseren kan også henvise til den JOVE video papir ved Andon og Zatorre 32 for yderligere demonstration af navigationssystemet.
4.. Analyse af EEG data og Computing ERP
- Fjern øjeblikkeligt puls Artifhandling, som følger:
- Hvis en klipning enheden ikke er tilgængelig (se ovenfor), vil det første skridt i den databehandling EEG være at skære den umiddelbare TMS puls artefakt sig fra dataene. Bemærk, at dette trin kan springes over, hvis ikke der ønskes filtre. Men hvis filtre anvendes, vil den skarpe kant formen af artefakt skabe forvridninger i dataene. En smal tidsvindue på 10 til 15 msek efter puls debut burde være nok, men sørg for at kontrollere dette ved visuel inspektion af data.
- Forbind de to afskårne ender oprettet efter puls fjernelse. To vigtigste metoder til at opnå dette er blevet foreslået i tidligere rapporter: 1. blot slutte sig sammen de to ender tilbage efter puls fjernelse (se Fuggetta m.fl. 26 og figur 1).. 2.. Interpolere en linje mellem de to klip slutter ved at generere jævnt fordelte værdier mellem dem 7. Ligningen, der bruges til denne interpolation er som følger: for hver manglende datapunkt y på prøve x,beregne y = y 0 + ((y 1-y 0) * (xx 0)) / (x 1-x 0), hvor x 0 og y 0 er koordinaterne for det sidste datapunkt før cut-segmentet, og x 1 og y 1, er koordinaterne for det første datapunkt efter snittet segment. Begge teknikker forsikre, at filtre kan anvendes på data uden at producere krusninger på grund skarpe spændingstrin, som demonstreret i figur 1.. Der henvises til det arbejde, som Reichenbach og kolleger 27 for en mere kompleks 3. orden polynomium interpolation.
- Påfør subtraktion metode:
- For hver eksperimentel blok, herunder en no-TMS kontrol betingelse, hvis nuværende beregne en gennemsnitlig ERP til den tomme skærm forsøg efter tid-låse dem til forsøg start (som hvis et billede er blevet præsenteret).
- Fratræk dette gennemsnit skabelon fra hvert forsøg alle andre stimulerende forhold. Hvis flere blokke blev kørtfor den samme stimulation site, gøre dette separat for hver blok, som skabelon vil være lidt anderledes mellem blokkene.
- Alle andre programmeringssproget og procestrin udføres som i enhver anden ERP eksperiment.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En samtidig EEG-TMS undersøgelse blev anvendt til at afsløre, om ERP reaktioner på ansigter og kroppe, der er optaget over occipito-temporale hovedbund dissocieres. Når visuelle stimuli bliver præsenteret, er en fremtrædende N1 komponent optaget ved posterior-lateral elektrodestederne. Især N1 komponent er typisk større for ansigter og kroppe end på andre stimulus kategorier 8,33. Ved at vurdere effekten af stimulation på ansigt og krop-selektive områder i hjernen, der er defineret med fMRI på deres respektive ansigt og krop N1 komponent, vi har forsøgt at afsløre, om ansigt og krop N1 svar afspejle (i det mindste delvist) ikke-overlappende kilder eller snarere det samme netværk aktivitet med kvantitativt forskellige aktiverings niveauer.
Vi har anvendt en dobbelt-puls stimulation på 60 ms og 100 ms efter billedet debut (se for eksempel Pitcher et al. 34,35), til ansigt-selektive og krop-selektive områder i den laterale occip ital cortex - occipital-Face Samarbejdsområde (OFA) og Extrastriate Krop Samarbejdsområde (EBA) (figur 4A, se afsnit 1.3 ovenfor for afgrænsningen af det relevante fMRI kontraster). De to områder blev stimuleret i separate blokke, mens forsøgspersoner viste billeder af ansigter og hovedløse kroppe. Resultaterne viser, at stimulering af OFA forbedre N1 amplitude til ansigter, men ikke til organer, mens stimulation til EBA forbedre N1 til organer, men ikke til ansigter. 2B afbilder ansigtet N1 før og efter TMS resterende artefakt subtraktion, og figur 4B viser specifik virkning af TMS på N1 komponent som en funktion af stimuleret område.
Disse resultater viser, hvordan fMRI-vejledt TMS under samtidig EEG optagelse kan anvendes til at vurdere, om to (eller flere) neurale netværk er adskilt, samt at etablere en årsagssammenhæng mellem et funktionelt defineret hjerne område og en elektrofysiologiske signal.
ove_content "fo: keep-together.within-side =" altid ">
.. Figur 1. Databehandling Rå og bearbejdede data af et repræsentativt emne, på lateral occipital elektrode PO8 (A) Rå EEG data, herunder to forsøg, som hver indeholder to TMS pulser adskilt af 40 millisekunder (røde pile). (B) zoome ind på data efter puls fjernelse. De to pulser ved hvert forsøg er fjernet fra de data, ved at skære et vindue rundt på dobbelt-puls (2 msek før første impuls til 16 msek efter anden puls). De afskårne kanter er så forbundet ved interpolation (røde pile), som forklaret i 4.1.2, (C) Den interpolerede segment tillader filtrering uden at skabe kant artefakter. I denne figur er en 40 Hz lavpasfiltrerede ERP (rød) afbildes mod sin ikke-filtreret udgave(Grå), (D) Som et alternativ til interpolation, kan de frie ender, der er tilbage efter puls fjernelse sættes sammen (se for eksempel Fugetta m.fl. 26, og punkt 4.1.2 i teksten). Her bliver begge metoder sammenlignes og udviser stærkt lignende kurver (blå og røde spor det meste overlap), efter lavpasfiltrering ved 40 Hz. Rød spor: lineær interpolation metode; blå spor:. ingen interpolation (tilsluttet kanter er taget fra hinanden for kun plotte formål, at holde konsistens tidsakse) Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2.. TMS artefakter og subtraktion teknik. (A) Venstre - ERP tid låst til præsentationen af et billede af et ansigt med en dobbelt-puls TMS på 60 ms og 100 ms efter billedet debut. Hver linje repræsenterer en elektrode. Bemærk at for nogle elektroder øjeblikkelig TMS artefakt efterfulgt af en længere resterende artefakt. Right - Cirka spole placering er symboliseret ved de to røde cirkler, og et par elektroder er mærket til orientering, (B) Artifact-subtraktion procedure. Den umiddelbare puls artefakt er fjernet (skjult), er en skabelon af den resterende støj måles på baggrund af "TMS kun" forsøg, og trækkes fra fuld forsøg. Tilpasset med tilladelse fra Sadeh m.fl. 7. Klik her for at se en større version af dette tal.
p_upload/51063/51063fig3highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51063/51063fig3.jpg "/>
Figur 3.. Stereotaktisk Navigation System. Top: Indstilling vartegn for Corregistration. For at corregister strukturelle scanning af hovedet med selve hovedet position under eksperimentet anatomiske kendetegn markeret på billedet som vist med pile. Så er de steder i rummet af de samme vartegn om emnet hoved leveres til systemet ved hjælp af en specialiseret tracker, der registreres af kameraet Nederst:. Funktionelle områder i hjernen, der kan netop målrettet. Aktiveringer er lagt oven på den anatomiske billede, og ønskede områder er markeret og gemmes. Under samlingen forsøgslederen kan indlæse en foruddefineret område at målrette med TMS. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4.. Repræsentative resultater. Dobbeltklik puls TMS blev anvendt enten til højre OFA eller til højre EBA på 60 msek og 100 msek efter debut af et ansigt eller en hovedløs-kropsbillede. En adskillelse mellem ansigt-N1 og kroppen-N1 reaktioner blev foretaget (A) De to indsatsområder i et repræsentativt emne, (B) Venstre - dobbelt dissociation mellem ansigtet og kroppens netværk.. TMS til OFA forbedret N1 respons på ansigter, men ikke til organer, relativt til TMS til EBA. Det modsatte mønster er vist for hovedløse-krop stimuli. Right - N1 spidsamplituden for ansigter og kroppe, efter OFA stimulering, EBA stimulation, og uden TMS stimulering. Fejlsøjler angiver SEM. Dette tal blev tilpasset med tilladelse fra Sadeh
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
At have den unikke evne til momentant forstyrre normal neuronal aktivitet i udvalgte kortikale områder, præcise tidspunkter og med en relativ god rumlig nøjagtighed, TMS gør det muligt at kausalt knytte en stimuleret hjerne område med en adfærdsmæssig eller neurofysiologisk foranstaltning. I dette papir vi beskrevet en fremgangsmåde til måling af EEG under samtidig TMS ansøgning rettet funktionelt definerede kortikale områder, og anvendelse af en analyse, der muliggør en pålidelig måling af ERP svar. Vi gav et eksempel fra litteraturen, hvor TMS blev anvendt i kombination med EEG og fMRI at spørge, om givne fMRI definerede områder i hjernen (dvs. OFA og EBA) kausalt forbundet med ERP svar på deres foretrukne stimuli (dvs. ansigter og kroppe).
Subtraktion beskrevne teknik, som blev valideret 19 og anvendt i flere undersøgelser 7,26,27 har flere bemærkelsesværdige fordele: den tillader eliminering af remanensal langvarig TMS artefakt dækker tidsvindue for de fleste betydningsfulde ERP komponenter; det lige så eliminerer artefakt komponenter fra muskuløs, mekanisk (elektrisk interferens til elektroderne) og ikke-ønskede kortikale (f.eks auditive) oprindelse; og det er robust og pålidelig, selv i elektroder ligger direkte under eller i nærheden af spolen. Bemærk, at linjestøj kan udtales i disse elektroder, i tillæg til det forbedrede amplitude TMS puls artefakt, idet spolen kan være rører eller ligger i tæt nærhed til elektroden eller ledningerne. Teknikken viste her muliggør udvinding af ERP systemer på disse elektrodestederne så godt. Det er af største betydning, da meget ofte fremkaldte reaktioner af interesse oprindelse i eller i nærheden af den stimulerede kortikale område. Desuden inddrive signaler fra hele hovedbunden er nødvendig i tilfælde, hvor der ønskes kilde genopbygning algoritmer.
Kombinationen af forskning værktøjer such som TMS, EEG og fMRI, hver fremsætte forskellige aspekter af neurale aktivitet og angribe lignende spørgsmål fra forskellige vinkler, er et lovende skridt fremad i forskning af menneskelige kognition og hjernens funktion. Det kan forventes, at TMS stigende grad vil blive anvendt i kombination med EEG til kausalt associerede kognitive eller adfærdsmæssige funktioner til elektrisk aktivitet, og yderligere at undersøge i øjeblikket udvikler områder såsom synkronisering, hjerne svingninger og konnektivitet i høj tidslig og rumlig opløsning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende finansielle interesser.
Acknowledgments
Vi vil gerne takke David Pitcher for hans værdifulde bidrag til denne TMS eksperiment. Denne forskning blev finansieret af et stipendium fra Levie-Edersheim-Gitter Institute for Brain Mapping til BS, en bevilling fra Wolfson Foundation; giver 65/08 og fra 1657 til 1608 fra den israelske Science Foundation og et rejselegat fra British Council Forsker Exchange Program til GY Forsøget blev udført på Wohl Institute for Advanced Imaging, Tel-Aviv Sourasky Medical Center.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3.0 T Signa MRI scanner | General Electric | ||
| BrainAmp amplifier | Brain Products GmbH | BP-01300 | |
| Electrode input box | Brain Products GmbH | Optional | |
| PowerPack - battery for amplifier | Brain Products GmbH | BP-02615 | |
| BrainCap - 32 flat electrodes on a flexible cap | Brain Products GmbH | BP-0300MR | Flat electrodes should be used to assure a shorter distance beween coil and scalp. If larger (e.g. pin type) electrodes are used, remove the ones under the coil |
| TMS Super Rapid2 stimulator | Magstim | ||
| 50 mm double coil | Magstim | ||
| Coil holder | Any mechanical arm or tripod that can hold the coil, be adjusted to the right angle and location, and keep the coil steady during stimulation | ||
| Chinrest | |||
| Polaris infrared camera | Rogue Research Inc | ||
| Polaris trackers and pointer tool | Rogue Research Inc | ||
| BrainSight workstation and software | Rogue Research Inc | ||
| BrainVision Recorder software | Brain Products GmbH | BP-00010 | |
| MATLAB software | The MathWorks Inc | ||
| SPM for Matlab | Wellcome Department of Imaging Neuroscience, London, UK | ||
| MarsBar region of interest toolbox for SPM | |||
| Psychtoolbox for MATLAB | This toolbox and the E-prime software (below) are examples for stimulus presentation software capable of delivering commands to the TMS stimulator and to the EEG recorder with reliable timing | ||
| E-Prime software | Psychology Software Tools, Inc. |
References
- Pascual-Leone, A., Walsh, V., Rothwell, J. Transcranial magnetic stimulation in cognitive neuroscience--virtual lesion, chronometry, and functional connectivity. Curr Opin Neurobiol. 10, 232-237 (2000).
- Taylor, P. C., Walsh, V., Eimer, M. Combining TMS and EEG to study cognitive function and cortico-cortico interactions. Behav Brain Res. 191, 141-147 (2008).
- Dugue, L., Marque, P., VanRullen, R. The Phase of Ongoing Oscillations Mediates the Causal Relation between Brain Excitation and Visual Perception. Journal of Neuroscience. 31, 11889-11893 (2011).
- Massimini, M., et al. Triggering sleep slow waves by transcranial magnetic stimulation. Proc Natl Acad Sci U S A. 104, 8496-8501 (2007).
- Taylor, P. C., Nobre, A. C., Rushworth, M. F. FEF TMS affects visual cortical activity. Cereb Cortex. 17, 391-399 (2007).
- Thut, G., Miniussi, C. New insights into rhythmic brain activity from TMS-EEG studies. Trends Cogn Sci. 13, 182-189 (2009).
- Sadeh, B., et al. Stimulation of category-selective brain areas modulates ERP to their preferred categories. Curr Biol. 21, 1894-1899 (2011).
- Bentin, S., Allison, T., Puce, A., Perez, E., McCarthy, G. Electrophysiological studies of face perception in humans. Journal of Cognitive Neuroscience. 8, 551-565 (1996).
- Rossion, B., Joyce, C. A., Cottrell, G. W., Tarr, M. J. Early lateralization and orientation tuning for face, word, and object processing in the visual cortex. Neuroimage. 20, 1609-1624 (2003).
- Baker, C. I., et al. Visual word processing and experiential origins of functional selectivity in human extrastriate cortex. Proc Natl Acad Sci USA. 104, 9087-9092 (2007).
- Kanwisher, N., Yovel, G. The fusiform face area: a cortical region specialized for the perception of faces. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 361, 2109-2128 (2006).
- Op de Beeck,, P, H., Haushofer, J., Kanwisher, N. G. Interpreting fMRI data: maps, modules and dimensions. Nat Rev Neurosci. 9, 123-135 (2008).
- Okon-Singer, H., et al. Spatio-temporal indications of sub-cortical involvement in leftward bias of spatial attention. Neuroimage. 54, 3010-3020 (2011).
- Sadaghiani, S., et al. alpha-band phase synchrony is related to activity in the fronto-parietal adaptive control network. J Neurosci. 32, 14305-14310 (2012).
- Sadeh, B., Podlipsky, I., Zhdanov, A., Yovel, G. Event-related potential and functional MRI measures of face-selectivity are highly correlated: a simultaneous ERP-fMRI investigation. Human Brain Mapping. 31, 1490-1501 (2010).
- Ilmoniemi, R. J., Kicic, D. Methodology for combined TMS and EEG. Brain Topogr. 22, 233-248 (2010).
- Julkunen, P., et al. Efficient reduction of stimulus artefact in TMS-EEG by epithelial short-circuiting by mini-punctures. Clin Neurophysiol. 119, 475-481 (2008).
- Siebner, H. R., et al. Consensus paper: combining transcranial stimulation with neuroimaging. Brain Stimulation. 2, 58-80 (2009).
- Thut, G., Ives, J. R., Kampmann, F., Pastor, M. A., Pascual-Leone, A. A new device and protocol for combining TMS and online recordings of EEG and evoked potentials. Journal of Neuroscience Methods. 141, 207-217 (2005).
- Virtanen, J., Ruohonen, J., Naatanen, R., Ilmoniemi, R. J. Instrumentation for the measurement of electric brain responses to transcranial magnetic stimulation. Med Biol Eng Comput. 37, 322-326 (1999).
- Litvak, V., et al. Artifact correction and source analysis of early electroencephalographic responses evoked by transcranial magnetic stimulation over primary motor cortex. Neuroimage. 37, 56-70 (2007).
- Morbidi, F., et al. Off-line removal of TMS-induced artifacts on human electroencephalography by Kalman filter. Journal of Neuroscience Methods. 162, 293-302 (2007).
- Brett, M., Anton, J. L., Valabregue, R., Poline, J. B. The 8th International Conference on Functional Mapping of the Human Brain. , Sendai, Japan. (2002).
- Brainard, D. H. The Psychophysics Toolbox. Spat. Vis. 10, 433-436 (1997).
- 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).
- Fuggetta, G., Pavone, E. F., Walsh, V., Kiss, M., Eimer, M. Cortico-cortical interactions in spatial attention: A combined ERP/TMS study. J Neurophysiol. 95, 3277-3280 (2006).
- Reichenbach, A., Whittingstall, K., Thielscher, A. Effects of transcranial magnetic stimulation on visual evoked potentials in a visual suppression task. Neuroimage. 54, 1375-1384 (2011).
- Taylor, P. C., Walsh, V., Eimer, M. The neural signature of phosphene perception. Human Brain Mapping. 31, 1408-1417 (2010).
- Iwahashi, M., Katayama, Y., Ueno, S., Iramina, K. Effect of transcranial magnetic stimulation on P300 of event-related potential. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. , 1359-1362 (2009).
- Zanon, M., Busan, P., Monti, F., Pizzolato, G., Battaglini, P. P. Cortical connections between dorsal and ventral visual streams in humans: Evidence by TMS/EEG co-registration. Brain Topogr. 22, 307-317 (2010).
- Veniero, D., Bortoletto, M., Miniussi, C. TMS-EEG co-registration: on TMS-induced artifact. Clin Neurophysiol. 120, 1392-1399 (2009).
- Andoh, J., Zatorre, R. J. Mapping the after-effects of theta burst stimulation on the human auditory cortex with functional imaging. J Vis Exp. , (2012).
- Thierry, G., et al. An event-related potential component sensitive to images of the human body. Neuroimage. 32, 871-879 (2006).
- Pitcher, D., Charles, L., Devlin, J. T., Walsh, V., Duchaine, B. Triple dissociation of faces, bodies, and objects in extrastriate cortex. Curr Biol. 19, 319-324 (2009).
- Pitcher, D., Walsh, V., Yovel, G., Duchaine, B. TMS evidence for the involvement of the right occipital face area in early face processing. Curr Biol. 17, 1568-1573 (2007).
