Summary
Dette notatet beskriver en metode for innsamling og analyse av elektroencefalografi (EEG) data ved samtidig transkranial magnetisk stimulering (TMS) guidet av aktive avslørt med funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI). En fremgangsmåte for TMS gjenstand fjerning og utvinning av hendelsesrelaterte potensialer er beskrevet, så vel som hensyn i paradigme utforming og eksperimentelle oppsettet.
Abstract
Transkranial magnetisk stimulering (TMS) er en effektiv metode for å etablere en årsakssammenheng mellom en cortical området og kognitive / nevrofysiologiske effekter. Nærmere bestemt ved å skape en forbigående forstyrrelse av normal aktivitet i et målområde og måling av endringer i en elektrofysiologisk signal, kan vi etablere en årsakssammenheng mellom den stimulert hjernen område eller nettverk og elektrofysiologisk signal om at vi registrerer. Hvis målet hjernen områder er funksjonelt definert med før fMRI skanning, kunne TMS brukes til å koble de fMRI aktive med fremkalt respons registrert. Men gjennomfører slike eksperimenter presenterer betydelige tekniske utfordringer gitt de høye amplitude gjenstander introdusert i EEG-signalet ved den magnetiske pulsen, og vanskelighetsgraden for å kunne målrette områder som ble funksjonelt definert av fMRI. Her beskriver vi en metode for å kombinere disse tre vanlige verktøy: TMS, EEG og fMRI. Vi forklarer hvordan du skal lede stimulator & #39, s spole til ønsket målområdet ved hjelp av anatomiske eller funksjonelle MR-data, hvordan å spille inn EEG ved samtidig TMS, hvordan man skal utforme et ERP studie som passer for EEG-TMS kombinasjon og hvordan du kan hente pålitelig ERP fra de registrerte data. Vi vil gi representative resultater fra en tidligere publisert studie, hvori fmri styrt TMS ble anvendt samtidig med EEG å vise at ansikts selektiv N1 og legemet selektiv N1 komponent av ERP er assosiert med distinkte nevrale nettverk i extrastriate cortex. Denne metoden gjør det mulig for oss å kombinere høy romlig oppløsning på fMRI med høy tidsoppløsning av TMS og EEG og dermed få en helhetlig forståelse av det nevrale grunnlaget for ulike kognitive prosesser.
Introduction
Transkranial magnetisk stimulering (TMS) genererer momentan forstyrrelser for normal nevral aktivitet i målområder i hjernen. Ved å opprette dette forbigående nevrale forstyrrelser og måle en atferds eller fysiologiske endringer, kan vi trekke en årsakssammenheng mellom målområdet og den målte eksperimentell effekt (for en gjennomgang se Pascual-Leone et al. Og Taylor et al. 1,2). En slik eksperimentell virkning kan være, for eksempel, en ytelse på en kognitiv aktivitet eller en endring i elektrofysiologisk (EEG)-aktivitet. Faktisk, de siste årene har forskerne begynt å bruke TMS i kombinasjon med EEG å direkte relatere kortikale områder med hendelsesrelaterte potensialer (ERP) eller oscillasjon aktivitet mønstre (f.eks 2-7). I denne metode papir vil vi beskrive en bestemt og nyttig rammeverk for å kombinere TMS og EEG: fMRI-guidet TMS under et ERP eksperiment. Først vil vi detalj hvordan du bruker TMS til områder som er forhåndsdefinert av FMRI, mens opptak EEG data. Vi vil da beskrive en eksperimentell design som gjør at utvinning av pålitelig ERP. Målet med et slikt eksperiment er å årsaks lenke hjernen områder avslørt med funksjonell MRI til ERP-komponenter av interesse. Til slutt, vil vi gi et konkret eksempel på en studie om ansikt og kropp selektiv Erps med ansikts-og kropps selektive områder som avdekkes med fMRI.
Hva er fordelen med å knytte EEG-signaler med fMRI aktiveringer? EEG og fMRI blir ofte brukt verktøy for å måle hjernebark respons på visuelle input. For eksempel ble kategori-selektivitet i visuelle veien vurderes for ulike visuelle objekt kategorier som ansikter, kroppsdeler, og skriftlige ord, både ved hjelp av ERP hentet fra EEG data 8,9, og funksjonell MRI 10-12. Signalene målt ved disse to vanlige forskning verktøyene er imidlertid av fundamentalt forskjellig art. EEG bærer informasjon om nevrale elektrisk aktivitet med stor tidsmessigpresisjon, men svært lav romlig oppløsning og kan reflektere en blanding av mange separate underliggende kilder. Den fmri gir et indirekte mål på neuronal aktivitet avhengig av den langsomme hemodynamiske forandringer som oppstår under stimulus presentasjon eller / og oppgave utførelse, men viser denne aktiviteten med en høyere romlig oppløsning. Etablering av en sammenheng mellom de to tiltakene kan derfor være av stor interesse, men er begrenset ved at det ikke innebærer en årsakssammenheng mellom hodebunnen-registrert elektrofysiologisk respons og områdene avslørt med funksjonell MRI. Selv når målt samtidig (f.eks 13-15), kan en retningsårsaksforhold mellom EEG og aktivitet i funksjonelt definerte kortikale områder som ikke bestemmes. TMS er et verktøy som kan hjelpe til å oppnå etablering av et slikt årsakssammenheng.
En samtidig EEG-TMS studien er metodisk utfordrende, mest på grunn av den høye spenningen gjenstand introdusert til EEG-signalet by den magnetiske stimulering (se figur 1, for en gjennomgang se Ilmoniemi et al. 16). Denne gjenstanden består av en forbigående kort levende puls relaterte forstyrrelser, ofte etterfulgt av en langsommere sekundær (eller rest) gjenstand som kan vare noen få hundre millisekunder etter at pulsen er levert Figur 2A, og dermed overstyre de fleste ERP-komponenter av interesse. Denne sekundære gjenstand kan omfatte mekaniske kilder som strømmer indusert av det magnetiske puls inn i ledningene og den langsomme nedbrytning av disse strømmene i huden, og fysiologiske kilder som muskelaktivitet over hele hodebunnen og hørbar eller somatosensoriske fremkalt respons utløst ved hjelp av driften av spolen 17-20. Selv om de mekaniske forstyrrelseskilder sannsynligvis produsere større amplitude gjenstander enn de fysiologiske seg, kan disse forskjellige gjenstander ikke skal separeres, og eksistensen av en hvilken som helst av dem i signalet kan forvirre resultatene. En mulig sliklution er anvendelsen av repetitive TMS pulser før EEG opptak ("offline TMS"), i motsetning til samtidige EEG-TMS. Den hemmende effekten av en slik protokoll på kortikal aktivitet vedvarer i flere minutter (og opp til en halv time) etter stimulering, og EEG kan måles i løpet av dette tidsvinduet effektiv og sammenlignet med grunnlinjen, pre-TMS, EEG-data. Gjentatte stimulering, men er per definisjon mangler den høye tidsmessig oppløsning på at nettet TMS kan tilby, hvor pulser kan tilføres på en presis timing i forhold til prøve utbruddet ved millisekunds oppløsning. Effekten av gjentatt stimulering kan også forplante seg via kortikale forbindelser over et større område enn det ønskede og derfor i betydelig grad redusere den romlige oppløsning i tillegg.
For å dra nytte av både romlig og tidsmessig oppløsning som TMS kan gi, kan en samtidig EEG-TMS kombinasjon brukes. Imidlertid krever dette metoder for fjerning av gjenstandergenerert av den magnetiske stimulering på EEG-signalet. Svært få offline matematiske løsninger for TMS gjenstand fjerning har blitt foreslått 16,21,22, selv om ingen metode er avtalt, og ingen metode kan være optimal for alle eksperimentelle design. A "klipping"-system, som består av en sample-and-hold-krets, er også utviklet for momentant å stoppe EEG anskaffelse under TMS pulsleverings 20. Denne teknikken er ikke bare krever spesialisert maskinvare, men kan ikke fullstendig fjerne det gjenværende TMS gjenstanden. I denne artikkelen vil vi beskrive en tilpasning av en EEG-TMS metodikk utviklet av Thut og kolleger 19, spesielt egnet for ERP-studier. Denne teknikken gjør det mulig pålitelig utvinning av ERP mens eliminere alle de gjenværende støykomponentene forårsaket av TMS puls Figur 2. Vi vil videre gi generell veiledning mot en vellykket EEG-TMS eksperimentelle oppsettet.
En annen utfordring i TMS studier adressert in dette metodiske papiret er å finne den beste spiral posisjon og vinkel for en nøyaktig målretting av det ønskede cortical området. Vi skal beskrive bruk av et stereotaktisk navigasjonssystem for å coregister faget hode med de pre-ervervede funksjonelle MRI-bilder. Selv om navigasjonssystemet kan brukes til å lokalisere anatomisk definerte strukturer i hjernen, er en fMRI-guidet målretting spesielt nyttig siden for mange funksjoner og eksperimentelle effekter den nøyaktige plasseringen av aktivering kan ikke utledes fra anatomiske markører alene. For slike funksjonelle regioner av interesse (ROI), er definisjonen av et område gjort for hver deltaker individuelt.
For å illustrere alle de ovennevnte, vil vi gi et eksempel på en studie vi gjennomførte tidligere, der EEG ble tatt opp samtidig med TMS guidet av fMRI aktive 7. I denne studien ble det en dobbel dissosiasjon mellom ansikt-selektive og kropps-selektiv Erps: selv om ansikt og kropp Erps ertk rundt de samme ventetid og elektrodestedene, målretting individuelt definerte ansikt-selektive og kropps-selektive områder i lateral occipital lobe aktivert oss til å distansere de nevrale nettverk bak hver ERP respons. Til slutt vil vi prøve å gi mer generelle råd for å optimalisere EEG opptak under TMS søknad.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Eksperimentet er gjennomført i to separate økter. Under den første sesjonen en funksjonell MRI-eksperiment (eksempel en funksjonell retningsfyr) utføres for å fastlegge de ønskede TMS målområder på en individuell gjenstand basis. De fMRI Resultatene blir så matet inn i en stereotaktisk navigasjonssystem for en nøyaktig TMS målgruppe. Den andre sesjon holdes etter analyse av fMRI data, hvor EEG blir tatt opp samtidig med TMS. Protokollen er beskrevet her ble godkjent av den etiske komiteen i Tel-Aviv Sourasky Medical Center.
I eksempelet gitt i dette notatet, ble data analysert med MATLAB versjon 7.7 (R2008b). Statistisk Parametric Mapping (SPM 5) programvare for MATLAB og MarsBar verktøykasse for SPM 23 ble brukt for fMRI databehandling.
En. FMRI Session og fMRI Data Analysis
- Kjør en funksjonell MRI oppgave ved hjelp av et ekko planar imaging (EPI)-sekvensene for å bestemme den ønskede foci av aktivering for å være rettet med TMS. For en bedre dissosiasjon mellom tilstøtende områder, slik som OFA og EBA i eksempelet nedenfor, er høy oppløsning skanning anbefales. Voxel av 3 mm 3 eller mindre, oppnås med en MR hode-spiral av 8 kanaler eller mer, er tilstrekkelig for opptegning naboregionene.
- Kjør en T1-vektet strukturelle scan for å få nevroanatomi data. Sørg for at ansiktet til deltakeren er helt med i synsfeltet av denne skanningen, siden eksterne markører på bildet (f.eks tuppen av nesen) blir senere brukt til å coregister motivets hode med skanningen.
- Etter datainnsamling, bruk MarsBar verktøykasse for SPM å definere de ønskede hjernen regioner av interesse basert på kontraster mellom de eksperimentelle forhold. Bruk kontraster ansikt> objekter for å definere bakhodet Face-området (OFA), og kroppene> objekter for å definere Extrastirate Body-området (EBA). For ytterligere å sikre thpå de to kortikale målene er funksjonelt distinkte, bruk "sammen" (i MarsBar) å maskere fra hver ROI eventuelle voxel responderer på den andre eksperimentelle tilstand (utelukke ansikt-voxel fra EBA, og kropps-voxel fra OFA).
- Corregister de strukturelle T1 bilder med de funksjonelle skanner, bruker SPM.
- Kopier filene til strukturelle scan, samt de relevante funksjonelle filer kontrast til en bærbar enhet for å laste opp til navigasjonssystemet.
2. Forbereder en Paradigm for EEG-TMS Experiment som vil tillate ERP Extraction
Beskrevet i avsnittet nedenfor er en metode for å samle EEG data under TMS-program på en måte som gjør at utvinning av pålitelig og replicable Erps 19. Fordelen med denne teknikken er at det lett håndterer den sekundære, langvarig, TMS gjenstand, og er robust nok til selv å tillate gjenopprettelse av data ved elektroder som ligger rett under TMS colje, hvor gjenstanden er av høyeste spenning og lengste varighet.
- Organisering av paradigmet
- Kjør de forskjellige TMS forhold (de ulike mål hjerneområder, samt en no-TMS tilstand) i separate blokker.
- Innenfor hver blokk presentere deltakeren med alle stimulanseforhold (f.eks ansikter, objekter, scener og så videre) tilfeldig i en hendelse-relaterte design.
- For bedre kvalitet på ERP og TMS-støy mal (nedenfor) Sørg for å ha minst 50 forsøk per tilstand.
- Sett timingen av TMS puls / pulser til ønsket ventetid etter at bilde utbruddet. Dette gjøres via skriver til en parallellport, hvorfra en kabel går til TMS stimulator. Denne funksjonen er tilgjengelig i de fleste programvare for psykologiske eksperimenter, som for eksempel Psychtoolbox (versjon 2 eller 3) for MATLAB 24 eller E-Prime (se Materialer tabell). Dirre inter stimulus intervall (ISI) for å redusere stimulus (og puls) forutsigbarhet (f.eks legge til en tilfeldig verdi mellom 0 til 500 msek ved hver ISI).
- Forbered en ekstra blank-skjerm tilstand:
- Forbered forsøk hvor TMS vil bli anvendt på samme intensitet, men uten stimulus presentasjon på skjermen. Disse blank-skjerm TMS forsøkene vil bli servert å beregne en TMS gjenstand mal i fravær av visuell stimulering.
- Sett antall repetisjoner av de tomme forsøk for å være identisk med antall repetisjoner av en av de eksperimentelle forhold innenfor blokken.
- For en nøyaktig gjengivelse av formen på TMS rest gjenstand, randomize tomme forsøk gjennom hele blokken i stedet for å presentere dem alle ved begynnelsen eller ved slutten.
Tre. Sette opp EEG og nevro System, og Gjennomføring av eksperiment
Nøyaktige TMS målretting av individuelt definerte Rois er mulig med bruk av en stereotaktisk navisøkelsen system, som består av et infrarødt kamera, infrarøde sensorer montert på deltakernes hode, og en spesialisert programvare.
- Skjerm deltakere basert på TMS sikkerhetskriterier. Ekskluder fra deltakelse fag med en selv eller familiehistorie med epilepsi, fag med andre nevrologiske tilstander eller med hyppige migrene, og fagene på psykoaktive stoffer. Selv ikke vanligvis skjermet for, kan pasienter med mistanke for autonome forstyrrelser som vasovagal synkoper (for det meste manifestert som en tendens til å besvime lett) også utelukkes. Instruere deltakerne til å unngå alkoholholdige drikker starter kvelden før, og koffeinholdige drikker minst to timer før forsøket. For ytterligere instruksjoner og diskusjon av sikkerhet se Rossi et al 25, og Magstim sikkerhetsgjennomgang ( http://joedevlin.psychol.ucl.ac.uk/tms/docs/magstim_safety.pdf ).
- Forbered tHan nevro system:
- Før økten starter, mate de strukturelle skannefiler inn i navigasjonssystemet programvare.
- Overlegg de funksjonelle MR resultater (Kontrastene) på de strukturelle bildene.
- Ved hjelp av nevronavigasjon programvare, markere de ønskede mål på bildene, samt de eksterne anatomiske markører som vil tjene for coregistration: tuppen av nesen, den dypeste delen av nesen broen ofte referert til som Pannetøtten, og tragus av hvert øre.
- Monter EEG cap på deltakerens hode og kobler elektrodene:
- Prøv å holde elektrodeimpedans ikke høyere enn 5 kohm.
- For å unngå TMS messig oppvarming av elektrodene, bruker så lite gel som mulig. For å oppnå en god impedans med liten mengde gel utføre en grundig hud preparat. Eventuelt be deltakerne til å vaske håret før du kommer til eksperimentet.
- Kontroller at elektrodetråder ikke krysse each andre og er orientert bort fra spolen beliggenhet. Unngå løkker i ledningene.
- Bruk en høy samplingsfrekvens for en bedre representasjon av støyartefakter. Det anbefales å bruke en kHz eller høyere, som de fleste tidligere studier som bruker denne metoden har gjort 7,26-28.
- Plasser referanse-og jordelektroder så langt fra spolen som mulig. I dette eksempel ble områdene i occipital cortex målrettet ved hjelp av en nese som referanse, og en Fz bakken 7.. For andre eksempler se 3,4,27,29,30. Merk at data kan bli re-referert frakoblet for en ny referanse etter behov, slik som den vanlige gjennomsnitt.
Merk: For en anmeldelse om optimalisering av TMS-EEG-oppsett, se Veniero et al 31.
- Coregister motivets hode med skanningen, som følger:
- Monter de infrarøde detektorer på deltakerens hode.
- Coregister hodet beliggenhet med navigasjonssystemet ved hjelp av forhåndsdefinerte markører (tipsi nesen, etc. Se figur 3). Det anbefales å gjenta coregistration mellom blokkene for å sikre nøyaktig spole plassering i alle ledd.
- Finn målområdene:
- Har faget sittende med haken hvilende på en chinrest i ønsket avstand fra skjermen.
- Pass på at deltakerne er komfortable på stolen sin, som de blir bedt om å avstå fra bevegelser i løpet av de eksperimentelle blokker (viktig for en nøyaktig støy-mal måling).
- Velg en TMS mål fra navigasjonssystemet Figur 3.
- Ved hjelp av pekeverktøyet (se Materialer Table), la navigasjonssystemet veilede brukeren til optimal beliggenhet og coil markere det med et lite klistremerke på elektrodehette. Det er viktig å holde markøren vinkelrett på hodet. Gjenta dette stadiet forut for hver blokk. Merk at det ikke er anbefalt å bruke elektronisk navigasjon under blokken (navigerer spoleni seg selv ved å holde den) siden enhver bevegelse spole bør unngås for en beste måling av TMS gjenstanden malen. Det ble funnet at predefining og markerer TMS plasseringen er den optimale måten å oppnå stabil stimulering.
- Guide spolen nøyaktige sentrum til markør, mens de blir holdt av en innehaver. Sørg for at det er tangentiell til hodet.
- Sett TMS intensiteten til ønsket verdi. Gi en test puls for deltakerens godkjennelse.
- Kjør den eksperimentelle blokken.
- No-TMS tilstand: hvis en spesialisert humbug TMS polen ikke er tilgjengelig, plasser TMS spole ved siden av motivets hode og vippe den i 90 °. Kjør blokken som vanlig, inkludert tomme prøvelser.
Leseren kan også referere til Jove video papir ved Andon og Zatorre 32 for ytterligere demonstrasjon av navigasjonssystemet.
4. Analysere EEG data og databehandling ERP
- Fjern umiddelbar puls Artifhandling, som følger:
- Hvis en klipping enhet ikke er tilgjengelig (se ovenfor), ville det første skrittet i EEG databehandling være å kutte ut den umiddelbare TMS puls gjenstand seg fra dataene. Legg merke til at dette trinnet kan hoppes over hvis filtre ikke er ønsket. Men hvis filtrene brukes, vil den skarpe kanten formen på gjenstanden skape skjevheter i dataene. En smal gang-vinduet i 10 til 15 msek etter puls utbruddet burde holde, men sørg for å verifisere dette ved visuell inspeksjon av dataene.
- Koble de to kuttet endene opprettet etter puls fjerning. To viktigste metodene for å oppnå dette har blitt foreslått i tidligere rapporter: en rett og slett gå sammen de to endene igjen etter puls fjerning (se Fuggetta et al 26 og Figur 1).;. 2.. Innskyte en linje mellom de to kutt ender ved å generere jevnt fordelte verdier mellom dem 7. Ligningen som anvendes for dette interpolering er som følger: for hver manglende datapunkt y i prøven x,beregne y y = 0 + ((y 1-y 0) * (xx 0)) / (x 1-x 0), hvor x og y 0 0 er koordinatene for det siste datapunkt før kuttet segment, og x 1 og y 1 er koordinatene for det første datapunkt etter kuttet segment. Begge teknikkene forsikrer at filtrene kan brukes på data uten å produsere krusninger på grunn av skarpe spenning trinn, som vist i Figur 1. Se arbeidet med Reichenbach og kolleger 27 for en mer kompleks 3. ordens interpolering.
- Påfør subtraksjon metode:
- For hver eksperimentell blokk, inkludert en no-TMS kontroll tilstand hvis de finnes, beregne et gjennomsnitt ERP til den blanke skjermen studier av tids låse dem til prøvestart (som om et bilde hadde blitt presentert).
- Trekk fra dette gjennomsnitt mal fra hver prøveversjon av alle andre stimulerings forhold. Hvis flere blokker ble kjørtfor den samme stimulering området, gjør dette separat for hver blokk, som mal vil være litt forskjellig mellom blokkene.
- Alle andre forbehandling og behandlingstrinn blir utført som i enhver annen ERP eksperiment.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En samtidig EEG-TMS etterforskning ble brukt for å avdekke om de ERP reaksjoner på ansikter og kropper registrert over bakhode-temporal hodebunnen er dissosiert. Når visuelle stimuli presenteres, er en fremtredende N1 komponent innspilt på posterior-lateral elektrodestedene. I særdeleshet er den N1 komponent typisk større for ansikter og kropper enn til andre stimuleringskategorier 8,33. Ved å vurdere effekten av stimulering på ansikt og kropp-selektiv hjerneområder som er definert med fMRI på deres respektive ansikt og kropp N1 komponent, forsøkte vi å avdekke om de ansikt og kropp N1 svarene reflekterer (i det minste delvis) ikke-overlappende kilder, eller snarere samme nettverksaktivitet med kvantitativt forskjellige aktiveringsnivå.
Vi benyttet en dobbel-impuls stimulering på 60 msek og 100 msek etter at bilde utbruddet (se for eksempel Pitcher et al. 34,35), til ansikt-selektive og kropps-selektive områder i den laterale occip ital cortex - occipital-Face-området (OFA) og Extrastriate Body-området (EBA) (Figur 4A, se punkt 1.3 ovenfor for avgrensning av det relevante fMRI kontraster). De to områdene ble stimulert i separate blokker, mens fagene viste bilder av ansikter og hodeløse kropper. Resultatene viser at stimuleringen av OFA styrke N1 amplitude til flatene, men ikke til legemer, mens stimulering av EBA styrke N1 til legemer, men ikke til ansikter. Figur 2B viser ansiktet N1 før og etter TMS residual gjenstand subtraksjon, og figur 4B viser den spesifikke virkning av TMS på N1-komponenten som en funksjon av stimulert området.
Disse funnene viser hvordan fmri styrt TMS ved samtidig EEG-opptak kan anvendes for å vurdere hvorvidt to (eller flere) nevrale nettverk er dissosiert, så vel som å etablere en årsakssammenheng mellom et funksjonelt definert hjerneområdet og en elektro signal.
ove_content "fo: keep-together.within-page =" always ">
.. Figur 1 behandler data Rå og bearbeidet data fra et representativt emne, på lateral-occipital elektrode PO8 (A) Raw EEG data inkludert to studier, som hver inneholder to TMS pulser atskilt av 40 msek (røde piler),. (B) zoome inn på data etter puls fjerning. De to pulser i hvert forsøk blir fjernet fra dataene ved å kutte et vindu rundt dobbelt-puls (2 msek før første puls 16 msek etter andre puls). Snittflatene er så koblet ved interpole (røde piler) som forklart i 4.1.2, (C) Den interpolert segmentet tillater filtrering uten å skape edge gjenstander. I denne figuren er en 40 Hz lavpassfiltrert ERP (rød) plottet mot sin ikke-filtrert versjon(Grå), (D) Som et alternativ til interpolering, kan de frie ender som er igjen etter fjerning av puls slås sammen (se for eksempel Fugetta et al 26, og punkt 4.1.2 i teksten). Her er begge metoder i forhold, og viser svært lignende bølgeformer (blå og røde spor stort sett overlapper), etter low-pass filtrering ved 40 Hz. Red spor: lineær interpoleringsmetode; blå strek:. ingen interpolering (koblet kantene er tatt fra hverandre for bare å plotte formål, for å holde konsistensen av tidsaksen) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. TMS gjenstander og subtraksjon teknikk. (A) Venstre - ERP tid-låst til presentasjon av et bilde av et ansikt, med en dobbel-puls TMS på 60 ms og 100 ms etter at bilde utbruddet. Hver linje representerer en elektrode. Legg merke til at for noen elektroder umiddelbar TMS gjenstanden er etterfulgt av en lengre rest gjenstand. Høyre - Tilnærmet spole plassering er symbolisert ved de to røde sirkler, og et par elektroder er merket for orientering, (B) Artifact-subtraksjon prosedyre. Den umiddelbare puls artefakt er fjernet (skjult), er en mal av rest støy målt basert på "TMS bare" prøvelser og trekkes fra full prøvelser. Tilpasset med tillatelse fra Sadeh et al 7. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
p_upload/51063/51063fig3highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51063/51063fig3.jpg "/>
Figur 3. Stereo navigasjonssystem. Topp: Innstilling landemerker for corregistration. For å corregister den strukturelle skanning av hodet med selve hodet stilling under eksperimentet, er anatomiske landemerker som er merket på bildet, som vist ved piler. Deretter blir stedene i løpet av de samme landemerker på forsøkspersonens hode gis til systemet ved hjelp av en spesialisert bane som blir registrert av kameraet Bunn:. Funksjonelle hjerneområder kan være målrettet. Aktiveringer er kledde på anatomisk bilde, og ønskede områdene er merket og lagret. Under økten eksperimentator kan laste en forhåndsdefinert område å målrette med TMS. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4 Representative resultater.. Dobbelt puls TMS ble brukt enten til høyre OFA eller til høyre EBA, på 60 msek og 100 msek etter utbruddet av et ansikt eller en hodeløs-kroppsbilde. En dissosiasjon mellom ansiktet-N1 og kropps-N1 responser ble laget (A) De to målområder i et representativt gjenstand, (b) Venstre - dobbelt dissosiasjon mellom ansiktet og kroppen nettverk.. TMS til OFA forbedret N1 respons på flater, men ikke til legemer, relativt til TMS til EBA. Den motsatte mønsteret er vist for hodeløse kropps stimuli. Høyre - N1 peak amplitude for ansikter og kropper, etter OFA stimulering, EBA stimulering, og uten TMS stimulering. Feil barer betegne SEM. Dette tallene ble tilpasset med tillatelse fra Sadeh
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Å ha den unike evnen til å midlertidig forstyrre normal neuronal aktivitet i utvalgte kortikale områder, i nøyaktige tidspunkter og med en relativt god romlig nøyaktighet, tillater TMS til årsaks koble en stimulert hjernen område med en atferds eller en nevrofysiologisk måling. I denne artikkelen beskrev vi en metode for å måle EEG ved samtidig TMS-program, rettet funksjonelt definerte kortikale områder, og bruke en analyse som gjør det mulig for en pålitelig måling av ERP svar. Vi ga et eksempel fra litteraturen der TMS ble brukt i kombinasjon med EEG og fMRI til å spørre hvorvidt gitte fMRI-definerte hjernen områder (dvs. OFA og EBA) er en årsakssammenheng med ERP svar på deres foretrukne stimuli (dvs. ansikter og kropper).
Den subtraksjon teknikk som er beskrevet, noe som ble bekreftet 19 og anvendt i flere studier 7,26,27, har flere bemerkelsesverdige fordeler: den tillater eliminering av residual langvarig TMS gjenstand dekker tidsvinduet for de fleste betydelige ERP komponenter; det like eliminerer artefakt komponenter fra muskuløs, mekanisk (elektriske forstyrrelser til elektrodene) og ikke-ønskede cortical (f.eks auditive) opprinnelse; og det er robust og pålitelig selv i elektrodene ligger direkte under eller i tilknytning til spolen. Legg merke til at linjestøy kan også uttalt i disse elektroder, i tillegg til den forbedrede amplitude TMS puls gjenstand, siden spolen kan være berøre eller ligge i umiddelbar nærhet av elektroden eller ledningene. Teknikken demonstrert her muliggjør utvinning av Erps på disse elektrodestedene også. Dette er av primær betydning siden svært ofte fremkalt respons av interesse opprinnelse i eller nær stimulert cortical området. Videre utvinne signalene fra hele hodebunnen som er nødvendig i de tilfeller hvor kilden rekonstruksjonsalgoritmer er ønsket.
Kombinasjonen av forskning verktøy sukh som TMS, EEG og fMRI, hver sette frem ulike aspekter av nevral aktivitet og angripe lignende spørsmål fra forskjellige vinkler, er en lovende trekk frem i forskningen av menneskelig kognisjon og hjernefunksjon. Det kan forventes at TMS vil bli stadig mer brukt i kombinasjon med EEG til årsaks knytte kognitive eller atferdsmessige funksjoner til elektrisk aktivitet, og å utforske videre i dag utviklings felt som synkronisering, hjerne svingninger og tilkobling, i høy temporal og romlig oppløsning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne hevder at de ikke har noen konkurrerende finansielle interesser.
Acknowledgments
Vi vil gjerne takke David Pitcher for hans verdifulle bidrag til denne TMS eksperiment. Denne forskningen ble finansiert av et fellesskap fra Levie-Edersheim-Gitter Institute for Brain Mapping til BS, et stipend fra Wolfson Foundation; bevilger 65/08 og 1657 til 1608 fra den israelske Science Foundation og et reisestipend fra British Council Forsker Exchange Programme til GY Forsøket ble utført ved 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).
