Summary
Dit artikel beschrijft een methode voor het verzamelen en analyseren van elektro-encefalografie (EEG) gegevens bij gelijktijdige transcraniële magnetische stimulatie (TMS) geleid door activeringen onthuld met functionele magnetische resonantie imaging (fMRI). Een methode voor het TMS artefact verwijdering en extractie van event related potentials wordt beschreven, evenals overwegingen in paradigma design en experimentele opstelling.
Abstract
Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een effectieve methode voor het vaststellen van een causaal verband tussen een corticale gebied en cognitieve / neurofysiologische effecten. In het bijzonder, door het creëren van een tijdelijke verstoring van de normale activiteit van een doelgebied en het meten van veranderingen in een elektrofysiologische signaal, kunnen we een causaal verband tussen de gestimuleerde hersengebied of netwerk en de elektrofysiologische signaal dat we opnemen vast te stellen. Als doel hersengebieden functioneel gedefinieerd indien fMRI scan, TMS kan worden gebruikt om de fMRI activaties koppelen cochlea opgenomen. Echter, het uitvoeren van dergelijke experimenten presenteert belangrijke technische uitdagingen gezien de hoge amplitude artefacten geïntroduceerd in het EEG-signaal door de magnetische puls, en de moeilijkheid om met succes richten op gebieden die functioneel zijn bepaald door fMRI. Hier beschrijven we een methode voor het combineren van deze drie gemeenschappelijke instrumenten: TMS, EEG en fMRI. We leggen uit hoe u de stimulator & # begeleiden39; s spoel naar het gewenste doelgebied met behulp van anatomische of functionele MRI data, hoe EEG opnemen tijdens gelijktijdige TMS, hoe je een ERP studie geschikt voor EEG-TMS combinatie en hoe betrouwbaar ERP uittreksel uit de geregistreerde gegevens te ontwerpen. Wij representatieve resultaten bieden tegen een eerder gepubliceerde studie, waarin fMRI-geleide TMS gelijktijdig gebruikt met EEG aantonen dat het gezicht-selectieve N1 en body-selectieve N1 component van de ERP geassocieerd met verschillende neurale netwerken extrastriate cortex. Deze methode stelt ons in staat om de hoge ruimtelijke resolutie van fMRI te combineren met de hoge temporele resolutie van TMS en EEG en dus het verkrijgen van een beter begrip van de neurale basis van verschillende cognitieve processen.
Introduction
Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) genereert kortstondige storing in de normale neurale activiteit in de beoogde gebieden van de hersenen. Door het creëren van deze vergankelijke neurale interferentie en het meten van een gedrags-of fysiologische verandering, kunnen we een causaal verband tussen het doelgebied en de gemeten experimentele effect te tekenen (voor een overzicht zie Pascual-Leone et al.. En Taylor et al.. 1,2). Een dergelijk experimenteel effect kan bijvoorbeeld een uitvoering op een cognitieve taak of een verandering van elektrofysiologische activiteit (EEG). Inderdaad, in de afgelopen jaren hebben de onderzoekers begonnen met het gebruik van TMS in combinatie met EEG om rechtstreeks verband corticale gebieden met event-related potentials (ERP) of oscillerende activiteit patronen (bijvoorbeeld 2-7). In deze methodologische nota zullen we een bijzonder en nuttig kader voor het combineren van TMS en EEG beschrijven: fMRI-geleide TMS tijdens een ERP-experiment. Ten eerste, zullen we detail hoe TMS van toepassing op gebieden vooraf door fMRI, tijdens het opnemen van EEG-gegevens. Wij zullen dan beschrijven een experimenteel ontwerp dat winning van betrouwbare ERP maakt. Het doel van een dergelijk experiment is verbinding hersenengebieden openbaarde met functionele MRI ERP componenten plaats causaal. Tot slot zullen we een specifiek voorbeeld van een studie met betrekking gezicht en lichaam selectieve ERPs met gezicht en lichaam selectieve gebieden die worden onthuld met fMRI geven.
Wat is het voordeel van het koppelen van EEG-signalen met fMRI activaties? EEG en fMRI worden vaak gebruikte tools om corticale reacties op visuele input te meten. Bijvoorbeeld, categorie-selectiviteit in de visuele banen werd beoordeeld voor verschillende visuele object rubrieken zoals gezichten, lichaamsdelen, en geschreven woorden, zowel door middel van ERP gewonnen uit gegevens van het EEG 8,9 en functionele MRI 10-12. De gemeten signalen van deze twee gemeenschappelijke onderzoeksinstrumenten zijn echter van fundamenteel verschillende aard. EEG draagt informatie over neurale elektrische activiteit met grote temporeleprecisie, maar zeer lage ruimtelijke resolutie en kan een mengsel van vele afzonderlijke onderliggende reflecteert. De fMRI een indirecte maat voor neuronale activiteit vertrouwen op de trage hemodynamische veranderingen tijdens stimulus en / of uitvoering van de taak, maar presenteert deze activiteit met een hogere ruimtelijke resolutie. Oprichting van een correlatie tussen de twee maatregelen kunnen dus van groot belang, maar is beperkt in die zin dat geen oorzakelijk verband tussen de hoofdhuid opgenomen elektrofysiologische respons en de geopenbaarde met functionele MRI gebieden impliceert. Zelfs als tegelijkertijd gemeten (bijv. 13-15), kan een gerichte oorzakelijk verband tussen EEG en activiteit in functioneel gedefinieerd corticale gebieden niet worden bepaald. TMS is een instrument dat kan helpen bij het bereiken van de oprichting van een dergelijk causaal verband.
Een gelijktijdige EEG-TMS studie is methodologisch uitdagende, vooral te wijten aan de hoge spanning artefact geïntroduceerd om de EEG-signaal by de magnetische stimulatie (zie figuur 1, voor een overzicht zie Ilmoniemi et al.. 16). Dit artefact bestaat uit een voorbijgaande kortlevende-puls-gerelateerde stoornis, vaak gevolgd door een langzamere tweede (of resten) artefact dat enkele honderden milliseconden kan duren na de puls wordt afgegeven Figuur 2A, dus tegen de meeste ERP componenten plaats. Deze secundaire artefact kunnen mechanische bronnen zoals geïnduceerd door de magnetische puls in de bedrading en de langzame verval van deze stromen in de huid en fysiologische bronnen zoals spieractiviteit in de hoofdhuid en auditieve of somatosensorische opgewekte potentialen opgewekt door de werking van de spoel 17-20. Hoewel de mechanische bronnen van interferentie produceren waarschijnlijk grotere amplitude artefacten dan de fysiologische modellen, kunnen deze verschillende artefacten niet worden gescheiden, en het bestaan van een van hen in het signaal kunnen de resultaten verwarren. Een mogelijk zodatlutie is de toepassing van herhaalde TMS pulsen voor EEG-registratie ("offline TMS"), in tegenstelling tot simultane EEG-TMS. Het remmende effect van een dergelijk protocol op corticale activiteit aanhoudt gedurende enkele minuten (en tot een half uur) na de stimulatie, en EEG kan worden gemeten tijdens deze effectieve tijdvenster en vergeleken met de uitgangswaarde, pre-TMS, EEG-gegevens. Herhaalde stimulatie is echter per definitie zonder de hoge tijdsresolutie die online TMS aanbiedt, waarbij pulsen worden toegediend op een precieze timing ten opzichte proces ontstaan bij de milliseconde resolutie. Het effect van repetitieve stimulatie kan ook verspreiden zich over de corticale verbindingen over een groter gebied dan gewenst en dus een aanzienlijke vermindering van de ruimtelijke resolutie ook.
Om te profiteren van zowel de ruimtelijke en temporele resolutie die TMS kan vrijmaken, kan een gelijktijdige EEG-TMS combinatie worden toegepast. Dit vereist echter werkwijzen voor het verwijderen van artefactengegenereerd door de magnetische stimulatie op het EEG-signaal. Zeer weinig offline wiskundige oplossingen voor TMS artefact verwijdering zijn voorgesteld 16,21,22, hoewel er geen methode is overeengekomen, en niemand methode kan optimaal zijn voor alle experimentele ontwerpen. Een "clipping"-systeem, bestaande uit een sample-and-hold circuit, werd ook ontwikkeld om tijdelijk stoppen EEG acquisitie tijdens TMS pulsafgifte 20. Deze techniek vereist niet alleen gespecialiseerde hardware, maar kan niet de resterende TMS artefact volledig te verwijderen. In dit artikel zullen we een aanpassing van een EEG-TMS methodologie ontwikkeld door Thut en collega's 19, met name geschikt voor ERP studies beschrijven. Deze techniek maakt het mogelijk betrouwbare extractie van ERP, terwijl het elimineren van alle resterende ruiscomponenten veroorzaakt door de TMS puls Figuur 2. We zullen verder bieden een algemene leidraad naar een succesvolle EEG-TMS experimentele opstelling.
Een andere uitdaging in TMS studies gericht in deze methodologische nota is het vinden van de beste spoel positie en hoek voor een nauwkeurige afstemming van de gewenste corticale gebied. We zullen het gebruik van een stereotactische navigatiesysteem het hoofd van de proefpersoon coregister met de vooraf verkregen functionele MRI-beelden beschrijven. Hoewel het navigatiesysteem kan worden gebruikt om anatomisch gedefinieerde hersenstructuren lokaliseren, een fMRI-geleide targeting is vooral nuttig omdat voor vele functies en experimentele effecten de precieze locatie van activering kan worden afgeleid uit anatomische markeringen alleen. Voor dergelijke functionele gebieden van belang (ROI), is de definitie van een voor elke individuele deelnemer.
Om alle bovenstaande illustratie geven we een voorbeeld van een studie we eerder uitgevoerd, waarbij EEG werd geregistreerd als TMS geleid door fMRI activaties 7 voorzien. In deze studie werd een dubbele dissociatie tussen face-selectieve en body-selectieve ERP: hoewel gezicht en lichaam ERP erwtk rond dezelfde latency en elektrodeplaatsen, gericht op individueel bepaald gezicht-selectieve en body-selectieve gebieden in de laterale achterhoofdskwab ons in staat om de neurale netwerken die ten grondslag liggen aan elk ERP reactie distantiëren. Tot slot zullen we proberen om meer algemene advies voor het optimaliseren van EEG-registratie tijdens TMS applicatie geven.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Het experiment wordt uitgevoerd in twee afzonderlijke sessies. Gedurende de eerste sessie een functionele MRI experiment (bv. functionele localizer) uitgevoerd teneinde de gewenste TMS doelgebieden op individuele basis te definiëren onderwerp plaatsvindt. De fMRI resultaten worden vervolgens ingevoerd in een stereotactische navigatiesysteem voor een nauwkeurige TMS gericht. De tweede zitting wordt gehouden na de analyse van de fMRI gegevens, waarbij EEG gelijktijdig wordt opgenomen met TMS. De hier beschreven protocol werd goedgekeurd door de ethische commissie van de Tel-Aviv Sourasky Medical Center.
In het voorbeeld in dit artikel werden gegevens geanalyseerd met MATLAB versie 7.7 (R2008b). Het Statistisch Parametric Mapping (SPM 5) software voor MATLAB en Marsbar toolbox voor SPM 23 werden gebruikt voor fMRI dataverwerking.
1. FMRI Session en fMRI data-analyse
- Voer een functionele MRI taak met behulp van een echo planar imaging (EPI) sequencere om de gewenste brandpunten van activatie worden gericht met TMS bepalen. Voor een betere scheiding tussen aangrenzende gebieden, zoals de OFA en de EBA in het onderstaande voorbeeld, is een hoge-resolutie scanning aanbevolen. Voxels van 3 mm 3 of kleiner, verkregen met een MRI hoofd-spoel van 8 kanalen of meer, zijn voldoende voor het afbakenen van de aangrenzende regio's.
- Voer een T1-gewogen structurele scan om neuro-anatomische gegevens te verkrijgen. Zorg ervoor dat het gezicht van de deelnemer volledig is opgenomen in het gezichtsveld van deze scan, aangezien externe markeringen op het beeld (bijvoorbeeld de punt van de neus) zal later worden gebruikt om het hoofd van de proefpersoon coregister met scannen.
- Na het verzamelen van gegevens, gebruik maken van de Marsbar toolbox voor SPM om de gewenste hersengebieden van belang te definiëren op basis van contrasten tussen de experimentele omstandigheden. Gebruik de tegenstellingen onder ogen> objecten aan de Occipital Gezicht Area (OFA) definiëren, en instanties> objecten aan de Extrastirate Body Area (EBA) definiëren. Om verder te zorgen thbij de twee corticale doelen zijn functioneel verschillende, gebruikt "conjunctie" (in Marsbar) te maskeren uit elke ROI elke voxels reageren op de andere experimentele conditie (exclusief face-voxels van de EBA, en body-voxels van de OFA).
- Corregister de structurele T1 beelden met de functionele scans, met behulp van SPM.
- Kopieer de bestanden van de structurele scan, evenals de relevante functionele contrast bestanden, naar een draagbare schijf om te uploaden naar het navigatiesysteem.
2. Voorbereiding van een paradigma voor de EEG-TMS experiment waarmee ERP Extraction
Beschreven in onderstaand gedeelte is een werkwijze voor het verzamelen van gegevens van het EEG tijdens TMS applicatie op een manier die extractie van betrouwbare en reproduceerbare ERP 19 toelaat. Het voordeel van deze techniek is dat het gemakkelijk verwerkt secundaire, langdurige, TMS artefact en robuust genoeg zelfs om herstel van gegevens op elektroden die zich direct onder de TMS colie, waarbij het artefact is van de hoogste spanning en de langste duur.
- Organisatie van het paradigma
- Voer de verschillende TMS omstandigheden (verschillende doel hersengebieden, evenals een no-TMS toestand) in afzonderlijke blokken.
- Binnen elk blok presenteren de deelnemer met alle stimulus (bijv. gezichten, objecten, scènes enz.) willekeurig in een event-related design.
- Voor een betere kwaliteit van ERP-en TMS-noise template (onder) zorg ervoor dat ten minste 50 trials per aandoening.
- Stel de timing van de TMS puls / pulsen aan de gewenste latentie na het begin. Dit gebeurt via schrijft een parallelle poort, waarvan een lijn loopt naar de TMS stimulator. Deze functie is beschikbaar in de meeste software voor psychologische experimenten, zoals Psychtoolbox (versie 2 of 3) voor MATLAB 24 of E-Prime (zie ook Materiaal tabel). Jitter de inter stimulus interval (ISI) stimulus (en hartslag) voorspelbaarheid (verminderenBijvoorbeeld: voeg een willekeurige waarde tussen 0-500 msec bij elke ISI).
- Bereid een extra lege-scherm staat:
- Bereid proeven waarbij TMS wordt toegepast met dezelfde intensiteit, maar geen stimulus op het scherm. Deze blanco-scherm TMS proeven zal worden geserveerd op een TMS artefact sjabloon te berekenen in de afwezigheid van visuele stimulatie.
- Stel het aantal herhalingen van de blanco proeven gelijk aan het aantal herhalingen van elk van de experimentele omstandigheden in het blok zijn.
- Voor een nauwkeurige weergave van de vorm van de TMS resterende artefact, willekeurig de blanco proeven gedurende het hele blok veeleer dan ze allemaal aan het begin of einde.
3. Instellen van de EEG en de Neuronavigatie System, en uitvoeren van het Experiment
Nauwkeurige TMS targeting van individueel bepaald ROI's is mogelijk met het gebruik van een stereotactische naviteem, bestaande uit een infrarood camera, infrarood sensoren gemonteerd op de deelnemer het hoofd, en een gespecialiseerde software.
- Scherm deelnemers gebaseerd op TMS veiligheidscriteria. Uit te sluiten van deelname proefpersonen met een zelf of een familiegeschiedenis van epilepsie, patiënten met andere neurologische aandoeningen of met frequente migraine, en onderwerpen op psychoactieve drugs. Hoewel niet typisch gescreend, kunnen patiënten met verdenking op autonome stoornissen zoals vasovagale syncope (vooral gemanifesteerd als een neiging om gemakkelijk flauwvallen) ook worden uitgesloten. Instrueer deelnemers om alcoholische dranken te vermijden starten van de voorafgaande avond, en cafeïnehoudende dranken minstens 2 uur voor het experiment. Voor verdere instructies en bespreking van veiligheid, zie Rossi et al. 25, en de Magstim veiligheid review ( http://joedevlin.psychol.ucl.ac.uk/tms/docs/magstim_safety.pdf ).
- Bereid thij neuronavigatie systeem:
- Voordat de sessie begint, voer de structurele scan bestanden in de software van het navigatiesysteem.
- Overlay de functionele MRI resultaten (de contrasten) over de structurele afbeeldingen.
- De Neuronavigatie software, markeer de gewenste doelen op de beelden en de externe anatomische markeringen die dienen voor coregistration: de punt van de neus, het diepste deel van de neusbrug vaak aangeduid als nasion en de tragus van elk oor.
- Monteer de EEG cap op het hoofd van de deelnemer en sluit de elektroden:
- Probeer elektrode impedantie niet hoger dan 5 kOhm houden.
- Om te voorkomen TMS-gerelateerde verwarming van de elektroden zo min gel mogelijk. Om een goede impedantie te bereiken met kleine hoeveelheid gel uitvoeren van een grondige voorbereiding huid. Optioneel, vraag de deelnemers om hun haar te wassen voordat hij naar het experiment.
- Zorg ervoor dat de elektrode draden niet ea overstekench andere en worden uit de buurt van de locatie van de spoel gericht. Voorkom lussen in de draden.
- Gebruik een hoge sampling rate voor een betere vertegenwoordiging van het lawaai artefact. Het wordt aanbevolen om 1 kHz of hoger, omdat de meeste eerdere studies met deze methode hebben 7,26-28 gedaan.
- Referentiestukken en aardelektroden zo ver van de spoel mogelijk. In dit voorbeeld werden gebieden in de occipitale cortex gevist met een neus referentie en een Fz bodem 7. Voor andere voorbeelden zie 3,4,27,29,30. Merk op dat data kunnen worden offline opnieuw verwezen in nieuw referentiebeeld nodig, zoals het gemeenschappelijk gemiddelde.
Opmerking: Voor een review over optimalisering van TMS-EEG setup, zie Veniero et al. 31.
- Coregister hoofd van de proefpersoon met de scan als volgt:
- Monteer de infrarood detectoren op het hoofd van de deelnemer.
- Coregister het hoofd locatie met het navigatiesysteem met de vooraf gedefinieerde markers (tipvan de neus, enz. Zie figuur 3). Het is aangeraden om de coregistration tussen blokken herhalen om nauwkeurige spoel plaatsing ervan in alle fasen.
- Zoek de doelgebieden:
- Hebben het onderwerp gezeten met de kin op een chinrest op de gewenste afstand van het scherm.
- Zorg ervoor dat de deelnemers comfortabel op hun stoel, als ze worden gevraagd om af te zien van de bewegingen tijdens de experimentele blokken (belangrijk voor een nauwkeurig geluid-template meting).
- Kies een TMS doel van het navigatiesysteem Figuur 3.
- Met behulp van de aanwijzer gereedschap (zie ook Materiaal tabel), laat het navigatiesysteem leiden de gebruiker naar de optimale locatie spoel en markeer deze met een kleine sticker op de elektrode dop. Het is belangrijk om de aanwijzer loodrecht op de weg. Herhaal deze fase voorafgaand aan elk blok. Merk op dat het niet aangeraden om online navigatie gebruiken tijdens de blok (het navigeren in de spoelzelf, terwijl het houden van het) aangezien elke spoel beweging moet worden vermeden voor een beste meting van de TMS artefact sjabloon. Het bleek dat vooraf definiëren en markeren van de TMS locatie is de optimale manier om stabiele stimulatie te bereiken.
- Begeleiden precieze midden van de spoel naar de marker, terwijl wordt gehouden door een houder. Zorg ervoor dat het raakt aan het hoofd.
- Stel de TMS intensiteit op de gewenste waarde. Dien een testpuls ter goedkeuring van de deelnemer.
- Voer de experimentele blok.
- No-TMS voorwaarde: als een gespecialiseerde schijnvertoning TMS spoel niet beschikbaar is, plaatst u de TMS spoel naast het hoofd van het onderwerp en kantel deze in 90 °. Voer het blok zoals gewoonlijk, inclusief de blanco proeven.
De lezer kan ook verwijzen naar de Jupiter video papier door Andon en Zatorre 32 voor verdere demonstratie van het navigatiesysteem.
4. Analyseren van de EEG data and Computing ERP
- Verwijder de onmiddellijke puls artifhandeling, als volgt:
- Als een clipping apparaat niet beschikbaar is (zie hierboven), zou de eerste stap in het EEG gegevensverwerking zijn om uit de gegevens uit te snijden de onmiddellijke TMS puls artefact zelf. Merk op dat deze stap kan worden overgeslagen als filters niet gewenst. Maar als filters worden toegepast, de scherpe rand vorm van het artefact zal verstoringen van de gegevens. Een smalle tijd-raam van 10 tot 15 msec na puls begin zou voldoende moeten zijn, maar zorg ervoor dat dit controleren door visuele inspectie van de gegevens.
- Sluit de twee afgesneden einden ontstaan na puls verwijderen. Twee manieren om dat te realiseren zijn voorgesteld in eerdere verslagen: 1 eenvoudig samenvoegen van de twee uiteinden resteert na verwijdering puls (zie Fuggetta et al. 26 en figuur 1.). 2. Interpoleren een lijn tussen de twee afgesneden uiteinden door het genereren van gelijke afstand waarden tussen 7. De vergelijking voor deze interpolatie is als volgt: voor elke ontbrekende gegevenspunt y bij sample x,berekenen y = y 0 + ((y 1-y 0) * (xx 0)) / (x 1-x 0) waarbij x 0 en y 0 zijn de coördinaten van het laatste meetpunt voor de cut segment, en x 1 en y 1 zijn de coördinaten van het eerste gegevenspunt na de cut segment. Beide technieken verzekeren dat filters kunnen worden toegepast op de data zonder dat rimpelingen door scherpe spanningsverschillen, zoals in figuur 1. Zie het werk van Reichenbach en collega's 27 voor een complexere 3e orde polynoom interpolatie.
- Breng het aftrekken methode:
- Voor elke experimentele blok, inclusief een no-TMS controle conditie indien aanwezig, berekenen een gemiddeld ERP naar het lege scherm proeven by-tijd ze op te sluiten om proef start (alsof een beeld was ingediend).
- Aftrekken dit gemiddeld sjabloon uit elk onderzoek van alle andere stimulus voorwaarden. Als meerdere blokken werden uitgevoerdvoor dezelfde stimulatieplaats Doe dit afzonderlijk voor elk blok, als de matrijs enigszins verschillend tussen de blokken wordt.
- Alle andere voorbewerken en processtappen worden uitgevoerd als in elke andere ERP experiment.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Een gelijktijdige EEG-TMS onderzoek werd gebruikt om te onthullen of de ERP reacties op gezichten en lichamen opgenomen over de occipito-temporele hoofdhuid kunnen worden gescheiden. Wanneer visuele stimuli worden gepresenteerd, is een prominente N1-component opgenomen in posterior-laterale elektrode sites. Met name het onderdeel N1 is typisch groter gezichten en lichamen dan naar andere stimulus 8,33. Door het beoordelen van het effect van de stimulatie op gezicht en lichaam-selectieve hersengebieden gedefinieerd met fMRI op hun gezicht en lichaam component N1, we probeerden uitwijzen of het gezicht en lichaam N1 reacties weerspiegelen (ten minste gedeeltelijk) niet-overlappende bronnen, of liever hetzelfde netwerk activiteit met kwantitatief verschillende activering niveaus.
We pasten een dubbel-puls stimulatie bij 60 msec en 100 msec na het begin (zie bijvoorbeeld Pitcher et al.. 34,35), de face-selectieve en body-selectieve gebieden in de laterale occip Ital cortex - het Occipital-Face Area (OFA) en de extrastriate Body Area (EBA) (Figuur 4A, zie punt 1.3 hierboven voor afbakening van de relevante fMRI contrasten). De twee gebieden werden gestimuleerd in afzonderlijke blokken, terwijl proefpersonen bekeken afbeeldingen van gezichten en onthoofde lichamen. Resultaten tonen aan dat stimulatie van de OFA verbeteren van de N1 amplitude om gezichten, maar niet aan andere organen, terwijl stimulatie van de EBA verbeteren van de N1 naar lichamen, maar niet om gezichten. Figuur 2B toont het gezicht N1 voor en na TMS resterende artefact aftrekken, en figuur 4B toont het specifieke effect van TMS op de N1 component als een functie van gestimuleerde.
Deze bevindingen laten zien hoe fMRI-geleide TMS bij gelijktijdige EEG-registratie kan worden toegepast om te beoordelen of twee (of meer) neurale netwerken worden gescheiden, evenals een causaal verband tussen een functioneel gedefinieerd hersengebied en een elektrofysiologische signaal vast te stellen.
ove_content "fo: keep-together.within-page =" altijd ">
.. Figuur 1 Informatica ruwe en verwerkte gegevens van een representatieve onderwerp, aan de laterale-occipitale elektrode PO8 (A) Raw EEG data waaronder twee proeven, die elk twee TMS pulsen gescheiden door 40 msec (rode pijlen);. (B) Zoom in op de gegevens na puls verwijderen. De twee pulsen bij elke proef worden uit de gegevens door het snijden van een venster in een dubbele-puls (2 msec voor de eerste puls 16 msec na de tweede puls). De snijkanten worden dan verbonden door interpolatie (rode pijlen), zoals uitgelegd in 4.1.2; (C) De geïnterpoleerde segment kunt filteren zonder dat randartefacten. In deze figuur is een 40 Hz low-pass gefilterde ERP (rood) uitgezet tegen de niet-gefilterde versie(Grijs), (D) Als alternatief voor interpolatie, de vrije uiteinden die overbleven na puls verwijdering kan worden samengevoegd (zie bijvoorbeeld Fugetta et al. 26 en punt 4.1.2 in de tekst). Hier worden beide methodes vergeleken en vertonen een zeer gelijkaardige golfvormen (blauwe en rode sporen meestal overlappen), na gebruik van een laagdoorlaatfilter bij 40 Hz. Rode trace: lineaire interpolatie methode; blauw trace:. geen interpolatie (verbonden randen zijn uit elkaar gehaald voor het plotten enige doel, om de consistentie van de tijd-as te houden) Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 2. TMS artefacten en subtractietechniek. (A) Links - ERP tijd-slot aan de presentatie van een afbeelding van een gezicht, met een dubbel-puls TMS op 60 msec en 100 msec na het begin. Elke lijn vertegenwoordigt een elektrode. Merk op dat sommige elektroden onmiddellijke TMS artefact wordt gevolgd door een langere resterende artefact. Rechts - ongeveer de situering spoel wordt gesymboliseerd door de twee rode cirkels, en een paar elektroden worden gelabeld voor oriëntatie, (B) Artifact-aftrekken procedure. De directe impuls artefact wordt verwijderd (verborgen), is een sjabloon van het residuele geluid gemeten op basis van "alleen TMS" proeven en afgetrokken van volledige studies. Aangepast met toestemming van Sadeh et al. 7. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
p_upload/51063/51063fig3highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51063/51063fig3.jpg "/>
Figuur 3. Stereotactische navigatiesysteem. Top: Instelling oriëntatiepunten voor Corregistration. Om de structurele scan van het hoofd corregister met de feitelijke koppositie tijdens het experiment, zijn anatomische oriëntatiepunten weergegeven op het beeld zoals getoond door pijlen. Vervolgens worden de locaties in de ruimte van dezelfde oriëntatiepunten op het hoofd van de persoon die aan het systeem met behulp van een gespecialiseerde tracker die wordt gedetecteerd door de camera Bodem:. Functionele hersengebieden nauwkeurig worden gericht. Activeringen worden overlay op de anatomische afbeelding en gewenste gebieden worden gemarkeerd en opgeslagen. Tijdens de sessie de experimentator kan een vooraf gedefinieerd gebied te richten met TMS te laden. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 4. Representatieve resultaten. Dubbele puls TMS werd toegepast hetzij rechts OFA of rechts EBA op 60 msec en 100 msec na het begin van beeld headless lichaam een gezicht of. Een dissociatie tussen de face-N1 en het lichaam-N1 reacties werd gemaakt (A) De twee doelgebieden in een representatieve onderwerp, (B) Links - dubbele dissociatie tussen het gezicht en het lichaam netwerken.. TMS de OFA verhoogde de N1 reactie gezichten, maar niet aan andere organen, ten opzichte van TMS met de EBA. Het tegenovergestelde patroon wordt getoond voor headless lichaam stimuli. Rechts - N1 piekamplitude voor gezichten en lichamen, volgende OFA stimulatie, stimulatie EBA, en zonder TMS stimulatie. Foutbalken geven de SEM. Deze cijfers werd aangepast met toestemming van Sadeh
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Met de unieke mogelijkheid om tijdelijk verstoren de normale neuronale activiteit in geselecteerde corticale gebieden, in precieze tijdstippen en met een relatief goede ruimtelijke nauwkeurigheid, TMS maakt het mogelijk om een causaal link een gestimuleerde hersengebied met een gedrags-of een neurofysiologische maatregel. In dit artikel beschrijven we een methode voor het meten van EEG tijdens gelijktijdige TMS applicatie, gericht op functioneel gedefinieerd corticale gebieden, en het toepassen van een analyse die een betrouwbare meting van ERP reacties mogelijk maakt. We gaven een voorbeeld uit de literatuur waarin TMS werd gebruikt in combinatie met EEG en fMRI vragen of bepaalde fMRI gedefinieerde hersengebieden (dwz OFA en EBA) causaal verband met ERP reacties op hun favoriete stimuli (bijvoorbeeld gezichten en organen).
De subtractietechniek beschreven, die 19 gevalideerd en toegepast in verschillende studies 7,26,27, heeft een aantal opmerkelijke voordelen: het maakt eliminatie van het residual langdurig TMS artefact die de tijd-venster van de belangrijkste ERP-componenten; het evenzeer elimineert het artefact onderdelen van spier-, mechanische (elektrische interferentie met de elektroden) en niet-gewenste corticale (auditief) oorsprong; en het is robuust en betrouwbaar zelfs elektroden liggen direct onder of in de nabijheid van de spoel. Merk op dat ruis kan worden uitgesproken in deze elektroden, naast de verhoogde amplitude TMS puls artefact, omdat de spoel aanraken of liggend in de nabijheid van de elektrode of de draden kunnen zijn. De techniek hier gedemonstreerd maakt de winning van ERP bij deze elektrode sites. Dit is van het grootste belang, omdat heel vaak de reacties van de consument van belang zijn ontstaan in of nabij de gestimuleerde corticale gebied. Bovendien herstelt signalen van de gehele hoofdhuid is vereist indien bron reconstructie-algoritmen gewenst.
De combinatie van research tools such als TMS, EEG en fMRI, elk naar voren brengen verschillende aspecten van neurale activiteit en aanvallen soortgelijke vragen vanuit verschillende hoeken, is een veelbelovende stap vooruit in het onderzoek van de menselijke cognitie en hersenfunctie. Verwacht mag worden dat TMS steeds meer zullen worden gebruikt in combinatie met EEG te associëren cognitie of gedrag causaal elektrische activiteit, en verder te onderzoeken momenteel de ontwikkeling van gebieden zoals synchronisatie, hersenen oscillaties en connectiviteit, in hoge temporele en ruimtelijke resolutie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen.
Acknowledgments
Wij willen David Pitcher bedanken voor zijn waardevolle bijdrage aan dit TMS experiment. Dit onderzoek werd gefinancierd door een beurs van de Levie-Edersheim-Gitter Institute for Brain Mapping BS, een subsidie van de Wolfson Foundation; verleent 65/08 en 1657-1608 van de Israëlische Science Foundation en een reisbeurs van de Onderzoeker British Council Exchange Programme aan GY Het experiment werd uitgevoerd bij de 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.
- 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).
