Summary
Detta dokument beskriver en metod för insamling och analys av elektroencefalografi data (EEG) vid samtidig transkraniell magnetisk stimulering (TMS) styrs av aktive avslöjas med funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI). En metod för TMS artefakt avlägsnande och utvinning av händelserelaterade potentialer beskrivs samt överväganden paradigm design och experimentuppställning.
Abstract
Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) är en effektiv metod för att fastställa ett orsakssamband mellan en kortikal område och kognitiva / neurofysiologiska effekter. Närmare bestämt genom att skapa en övergående störning av den normala aktiviteten hos ett målområde och mäta förändringar i en elektrofysiologisk signal, kan vi etablera ett orsakssamband mellan den stimulerade hjärnområdet eller nätverket och den elektrofysiologiska signal om att vi spelar in. Om målet hjärnområden är funktionellt definierade med tidigare fMRI skanning, kan TMS användas för att koppla de fMRI aktive med framkallade potentialer registrerats. Men att utföra sådana experiment innebär stora tekniska utmaningar med tanke på de höga amplitud artefakter införts i EEG-signalen genom den magnetiska pulsen, och det är svårt att framgångsrikt rikta områden som funktionellt definierade av fMRI. Här beskriver vi en metod för att kombinera dessa tre gemensamma verktyg: TMS, EEG och fMRI. Vi förklarar hur du styra stimulatorn & #39; s spole till den önskade målområdet med hjälp anatomiska eller funktionella MRI data, hur du spelar in EEG under samtidig TMS, hur man designar ett ERP studie lämplig för EEG-TMS kombination och hur man extrahera tillförlitlig affärssystem från de registrerade uppgifterna. Vi kommer att ge representativa resultat från en tidigare publicerad studie, där fMRI-guidad TMS användes samtidigt med EEG för att visa att ansiktet selektiva N1 och kroppen-selektiva N1 komponent i ERP är förknippade med olika neurala nätverk i extrastriate cortex. Denna metod gör det möjligt att kombinera hög rumslig upplösning av fMRI med hög tidsupplösning av TMS och EEG och därmed få en omfattande förståelse av den neurala grunden för olika kognitiva processer.
Introduction
Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) genererar momentan störning på den normala neural aktivitet i målområden i hjärnan. Genom att skapa denna gående neurala störningar och mäta ett beteende eller fysiologisk förändring, kan vi dra ett orsakssamband mellan målområdet och den uppmätta experimentell effekt (för en översikt se Pascual-Leone et al. Och Taylor et al. 1,2). En sådan experimentell effekt kan vara till exempel en föreställning på en kognitiv uppgift eller en förändring i elektrofysiologiska (EEG) aktivitet. Ja, på senare år har forskare börjat använda TMS i kombination med EEG för att direkt relatera kortikala områden med händelserelaterade potentialer (ERP) eller oscillerande aktivitetsmönster (t.ex. 2-7). I denna metod papper kommer vi att beskriva en särskild och användbar ram för att kombinera TMS och EEG: fMRI-guidad TMS under ett ERP-experiment. Först ska vi i detalj hur man ansöker TMS till områden fördefinierade av FMRI, under inspelning EEG-data. Vi kommer då att beskriva en experimentell design som gör att utvinning av pålitliga affärssystem. Målet med ett sådant experiment är att orsakslänkhjärnområden avslöjas med funktionell MRI för ERP-komponenter av intresse. Slutligen kommer vi att ge ett konkret exempel på en studie rörande ansikte och kropp selektiv ERP med ansikts-och kropps selektiva områden som avslöjas med fMRI.
Vad är fördelen med att koppla EEG-signaler med fMRI aktive? EEG och fMRI är vanliga verktyg för att mäta kortikala svar på synintryck. Till exempel var kategori-selektivitet i den visuella vägen bedömas för olika visuella objektkategorier såsom ansikten, kroppsdelar, och skrivna ord, både med hjälp av ERP extraherade från EEG uppgifterna 8,9 och funktionell MRI 10-12. De signaler som mäts av dessa två vanliga forskningsverktyg är emellertid av helt olika natur. EEG bär information om neural elektriska aktivitet med stor tidsprecision, men mycket låg spatial upplösning och kan återspegla en blandning av många olika bakomliggande källor. Den fMRI ger ett indirekt mått på neuronal aktivitet att förlita sig på den långsamma hemodynamiska förändringar som inträffar under stimulans presentation och / eller körning av uppgiften, men presenterar denna aktivitet med en högre rumslig upplösning. Att upprätta en korrelation mellan de båda åtgärderna kan därför vara av stort intresse, men är begränsad i det att den inte innebär ett orsakssamband mellan hårbotten-inspelade elektrofysiologisk respons och de områden som avslöjas med funktionell MRI. Även mätt samtidigt (t.ex. 13-15), kan en riktningsorsakssamband mellan EEG och aktivitet i funktionellt definierade kortikala områden inte bestämmas. TMS är ett verktyg som kan hjälpa till att uppnå inrättandet av ett sådant orsakssamband.
En samtidig EEG-TMS studien är metodologiskt utmanande, främst på grund av den höga spänningen artefakt introduceras till EEG-signalen by magnetisk stimulering (se figur 1, för en översikt se Ilmoniemi et al. 16). Denna artefakt består av en transient kort levande puls relaterad störning, ofta följs av en långsammare sekundär (eller resterande) artefakt som kan pågå några hundra millisekunder efter pulsen avges fig 2A, vilket åsidosätter de flesta ERP-komponenterna av intresse. Denna sekundära artefakt kan inkludera mekaniska källor såsom strömmar inducerad av den magnetpuls in i ledningar och den långsamma sönderfallet av dessa strömmar i huden, och fysiologiska källor såsom muskelaktivitet över hårbotten och auditiva eller somatosensoriska framkallade potentialer framkallades av driften av spolen 17-20. Även de mekaniska störningskällor producerar förmodligen större amplitud artefakter än de fysiologiska sådana, kan dessa olika artefakter inte skiljas, och förekomsten av någon av dem i signalen kan förbrylla resultatet. En möjlig sålution är tillämpningen av repetitiva TMS pulser före EEG inspelning ("offline TMS"), till skillnad från samtidig EEG-TMS. Den hämmande effekten av ett sådant protokoll om kortikal aktivitet kvarstår i flera minuter (och upp till en halvtimme) efter stimulering, och EEG kan mätas under denna effektiva tidsfönster och jämfört med baseline, pre-TMS, data EEG. Repetitiva stimulans är dock per definition saknar den höga tidsupplösning som nätet TMS kan erbjuda, där pulser kan administreras med en exakt timing i förhållande till rättegång debut i millisekund upplösning. Effekten av upprepad stimulering kan också propagera via kortikala anslutningar över ett större område än önskade och därmed avsevärt minska såväl den rumsliga upplösningen.
För att dra nytta av både den tidsmässiga och geografiska som TMS kan ge, kan en samtidig EEG-TMS kombination tillämpas. Emellertid kräver detta metoder för avlägsnande av artefaktergenereras av magnetisk stimulering på EEG-signalen. Mycket få offline matematiska lösningar för TMS artefakt borttagning har föreslagits 16,21,22, men ingen metod är överenskommet, och ingen metod kan vara optimal för alla experimentell design. En "klippning"-systemet, som består av ett prov-och hållkretsar, har också utvecklats för att tillfälligt stanna EEG förvärv under TMS puls leverans 20. Denna teknik kräver inte bara specialiserad hårdvara, men kan inte helt ta bort den kvarvarande TMS artefakt. I denna uppsats kommer vi att beskriva en anpassning av en EEG-TMS metod som utvecklats av Thut och kollegor 19, särskilt lämplig för ERP-studier. Denna teknik möjliggör tillförlitlig extraktion av affärssystem samtidigt eliminera alla kvarvarande bruskomponenter som orsakas av TMS pulsen Figur 2. Vi kommer vidare att ge allmän vägledning till ett framgångsrikt EEG-TMS experimentuppställning.
En annan utmaning i TMS studier behandlas in denna metod papper är att hitta den bästa spolen position och vinkel för en exakt inriktning av det önskade kortikala område. Vi kommer att beskriva användningen av en stereotaktisk navigationssystem att coregister ämnet huvud med pre-förvärvade funktionell MRI bilder. Även navigationssystemet kan användas för att lokalisera anatomiskt definierade hjärnstrukturer, är en fMRI-guidad inriktning särskilt användbart eftersom många funktioner och experimentella effekter den exakta platsen för aktivering kan inte utläsas av anatomiska markörer ensam. För sådana funktionella områden av intresse (ROI), är definitionen av ett område görs för varje deltagare individuellt.
För att illustrera allt ovan, kommer vi att ge ett exempel på en studie som vi genomfört tidigare, där EEG spelades in samtidigt med TMS styrs av fMRI-aktive 7. I denna studie var en dubbel dissociation mellan ansikte-selektiva och kropps-selektiva ERP: även om ansikte och kropp ERP ärtak runt samma latens och elektroderna, med inriktning på individuellt definierade ansikts selektiva och kropps-selektiva områden i sidled nackloben möjligt för oss att skilja de neurala nätverk som ligger bakom varje ERP svar. Slutligen kommer vi att försöka ge mer generella råd för att optimera EEG inspelning under TMS ansökan.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Experimentet genomförs i två separata sessioner. Under den första sessionen en funktionell MRI experiment (t.ex. en funktionell localizer) genomförs i syfte att definiera de önskade målområden TMS på individuell ämne basis. FMRI resultaten matas sedan in i en stereotaktisk navigationssystem för en noggrann TMS inriktade. Den andra sessionen hålls efter analysen av fMRI data, under vilka EEG registreras samtidigt med TMS. Protokollet som beskrivs här godkändes av den etiska kommittén i Tel-Aviv Sourasky Medical Center.
I exemplet i detta papper, ades data analyseras med MATLAB version 7.7 (R2008b). Den statistiska Parametrisk Mapping (SPM 5) mjukvara för MATLAB och MarsBar verktygslåda för SPM 23 användes för fMRI databehandling.
1. FMRI sessionen och fMRI dataanalys
- Kör en funktionell MRI uppgift med hjälp av en eko-plan avbildning (EPI) sekventie för att bestämma den önskade härdar av aktivering för att vara riktade med TMS. För en bättre dissociation mellan närliggande områden, såsom OFA och EBA i exemplet nedan, är med hög upplösning skanning rekommenderas. Voxlar av 3 mm 3 eller mindre, erhålls med en MR huvud-spole på 8 kanaler eller fler, är tillräckliga för att avgränsa angränsande regioner.
- Kör en T1-viktade strukturella scan för att få neuroanatomiska data. Se till att ansiktet av deltagaren är helt inkluderade i synfältet för denna avsökning, eftersom de yttre markörer på bilden (t.ex. spetsen på näsan) kommer att senare användas för att coregister ämnet huvud med dess avsökning.
- Efter datainsamling, använda MarsBar verktygslåda för SPM att definiera de önskade hjärnregioner av intresse baserat på kontraster mellan de experimentella förhållanden. Använd kontrasterna ansikte> föremål att definiera Occipital Face Area (OFA), och organ> föremål för att definiera Extrastirate Body Area (EBA). För att ytterligare säkerställa thvid de två kortikala mål är funktionellt distinkt, användning "tillsammans" (i MarsBar) att maskera från varje ROI alla voxlar som svarade på den andra experimentgruppen (utesluta ansikts voxlar från EBA, och kropps voxlar från OFA).
- Corregister de strukturella T1 bilderna med de funktionella skanningar, med hjälp av SPM.
- Kopiera filerna från den strukturella skanning, samt de relevanta funktionella kontrastfiler till en bärbar enhet för att ladda upp till navigationssystemet.
2. Förbereda ett paradigm för EEG-TMS Experiment som gör ERP Extraction
Beskrivs i avsnittet nedan är en metod för insamling av EEG-data vid TMS ansökan på ett sätt som möjliggör utvinning av pålitliga och reproducerbara ERP 19. Fördelen med denna teknik är att den enkelt hanterar den sekundära, långvarig, TMS artefakt, och är tillräckligt robust för att ens tillåta återställning av data vid elektroder placerade rakt under TMS colja, där artefakten är av den högsta spänningen och längsta varaktighet.
- Organisation av paradigm
- Kör de olika TMS förhållanden (olika mål hjärnområden, samt en no-TMS tillstånd) i separata block.
- Inom varje block presenterar deltagaren med alla stimulansförhållanden (t.ex. ansikten, föremål, scener osv) slumpmässigt i en händelserelaterad design.
- För bättre kvalitet på ERP-och TMS-brus-mall (nedan) se till att ha minst 50 försök per tillstånd.
- Ställ in tidpunkten för TMS puls / pulser till önskad latens efter bild debut. Detta görs genom att skriva till en parallellport, där en kabel går till TMS stimulatorn. Den här funktionen är tillgänglig i de flesta program för psykologiska experiment, såsom Psychtoolbox (version 2 eller 3) för MATLAB 24 eller E-Prime (se Material tabell). Jitter den inter stimulans intervall (ISI) för att minska stimulus (och puls) förutsägbarhet (t.ex. lägga till ett slumpmässigt värde mellan 0 till 500 ms vid varje ISI).
- Förbered en extra blank-skärm villkor:
- Förbered försök då TMS kommer att tillämpas på samma intensitet, men utan stimulans presentation på skärmen. Dessa blank-skärm TMS försöken kommer att serveras för att beräkna en TMS artefakt mall i avsaknad av visuell stimulans.
- Ställ in antalet repetitioner av de tomma försök för att vara identiskt med antalet upprepningar av någon av de experimentella förhållanden inom blocket.
- För en korrekt representation av formen på TMS rest artefakt, randomiseras tomma prövningar under hela blocket snarare än att presentera dem i början eller i slutet.
3. Inställning av EEG och neurosystemet, och Genomföra Experiment
Accurate TMS inriktnings av individuellt definierade ROI är möjligt med hjälp av en stereotaktisk navitionssystemet, som består av en infraröd kamera, IR-sensorer monterade på deltagarens huvud, och en specialiserad mjukvara.
- Skärm deltagare baserat på TMS säkerhetskriterier. Uteslut från deltagande individer med en egen eller familjär historia av epilepsi, patienter med andra neurologiska tillstånd eller med täta migrän, och ämnen på psykofarmaka. Även om det inte typiskt screenas för, kan patienter med misstanke för autonoma störningar såsom vasovagal synkope (främst manifesteras som en tendens att svimma lätt) också uteslutas. Instruera deltagarna att undvika alkoholhaltiga drycker startar den föregående kvällen, och koffeinhaltiga drycker minst 2 timmar före försöket. För ytterligare instruktioner och diskussion om säkerhet se Rossi et al 25, och Magstim översyn säkerhet ( http://joedevlin.psychol.ucl.ac.uk/tms/docs/magstim_safety.pdf ).
- Förbered than neuro systemet:
- Innan sessionen startar, mata de strukturella skannade filer i navigationssystemets programvara.
- Överlägg de funktionella MRI resultat (kontrasterna) på de strukturella bilderna.
- Med hjälp av neuro programvara, markerar de önskade målen på bilderna, samt de externa anatomiska markörer som kommer att tjäna för coregistration: spetsen av näsan, den djupaste delen av näsan bron ofta kallad nasion och tragus av varje öra.
- Montera EEG locket på deltagarens huvud och anslut elektroderna:
- Försök att hålla elektroden impedans inte är högre än 5 kQ.
- För att undvika TMS relaterade upphettningen av elektroderna, använda så lite gel som möjligt. För att uppnå god impedans med liten mängd gel utföra en grundlig hudpreparat. Eventuellt be deltagarna att tvätta håret innan han kom till experimentet.
- Se till att elektrodkablarna inte korsar each andra och är orienterad bort från spolens läge. Undvik öglor i ledningarna.
- Använd en hög samplingsfrekvens för en bättre representation av buller artefakt. Det rekommenderas att använda 1 kHz eller högre, eftersom de flesta tidigare studier med denna metod har gjort 7,26-28.
- Placera referens-och jordelektroderna så långt från den spole som möjligt. I detta exempel framställdes områden i occipital cortex målinriktad användning av en näsa referens och en Fz marken 7. För andra exempel se 3,4,27,29,30. Tänk på att data kan åter refererade offline till en ny referens som krävs, till exempel den gemensamma genomsnittet.
Anm: För en recension om optimering av TMS-EEG inställning, se Veniero et al 31.
- Coregister subjektets huvud med avsökningen, enligt följande:
- Montera de infraröda detektorer på deltagarens huvud.
- Coregister huvudet plats med navigationssystemet med hjälp av fördefinierade markörer (tipi näsan, etc. Se figur 3). Det rekommenderas att upprepa coregistration mellan blocken för att säkerställa korrekt spole placering på alla stadier.
- Leta målområdena:
- Har motivet sitter med hakan vilande på en chinrest på önskat avstånd från skärmen.
- Se till att deltagarna är bekväm i sin stol, eftersom de ombeds att avstå från rörelser under de experimentella block (viktigt för en korrekt ljud-mall mätning).
- Välj en TMS mål från navigationssystemet Figur 3.
- Använda pekaren verktyget (se Material tabell), låt navigationssystemet vägleda användaren till den optimala polen plats och markera den med ett litet klistermärke på elektrodlocket. Det är viktigt att hålla pekaren vinkelrät mot huvudet. Upprepa detta steg före varje block. Observera att det inte rekommenderas att använda online-navigering under blocket (navigera spolensjälv medan du håller den) eftersom varje spole rörelse bör undvikas för en bästa mätning av TMS artefakt mallen. Det visade sig att fördefiniera och märkning TMS platsen är det optimala sättet att uppnå en stabil stimulering.
- Guide spolens exakta centrum till markören, samtidigt som hålls av en hållare. Se till att den är tangentiell mot huvudet.
- Ställ TMS intensiteten till det önskade värdet. Administrera en testpuls för deltagarens godkännande.
- Kör den experimentella block.
- No-TMS villkor: om en specialiserad bluff TMS spole inte är tillgänglig, placera TMS spolen bredvid patientens huvud och luta den i 90 °. Kör blocket som vanligt, inklusive de tomma prövningar.
Läsaren kan också hänvisa till JUPITER video papper från Andon och Zatorre 32 för ytterligare demonstration av navigationssystemet.
4. Analysera EEG data och beräknings ERP
- Ta bort den omedelbara puls artifhandling, enligt följande:
- Om en klippning enheten inte är tillgänglig (se ovan), skulle det första steget i EEG databehandling vara att skära ut den omedelbara TMS pulsen artefakt sig från datan. Notera att detta steg kan hoppas över om filtren inte önskas. Men om filter tillämpas, kommer den skarpa kanten form av artefakten skapar snedvridningar i uppgifterna. Ett smalt tidsfönster på 10 till 15 ms efter puls debut borde räcka, men tänk på att kontrollera detta genom visuell inspektion av data.
- Anslut de två skurna ändar skapas efter puls bort. Två huvudsakliga metoder för att åstadkomma detta har föreslagits i tidigare rapporter: 1 helt enkelt gå ihop de två ändarna kvar efter puls borttagning (se Fuggetta m.fl. 26 och Figur 1.);. 2. Interpolera en linje mellan de två avskurna ändarna genom att generera jämnt fördelade värden mellan dem 7. Den ekvation som används för denna interpolation är följande: för varje saknad datapunkt y vid sampel x,beräkna y = y 0 + ((y 1-y 0) * (xx 0)) / (x 1-x 0), där x 0 och y 0 är koordinaterna för den sista datapunkten innan snittet segmentet, och x 1 och y 1 är koordinaterna för den första datapunkten efter den skära segmentet. Båda teknikerna försäkrar att filter kan tillämpas på data utan att ge ringar på vattnet på grund av kraftiga spänningssteg, vilket visas i figur 1. Se verk av Reichenbach och kollegor 27 för en mer komplex 3: e ordning polynominterpolering.
- Applicera subtraktion metod:
- För varje experimentell kvarter, inklusive en no-TMS kontrollgrupp om närvarande, beräkna ett medelvärde affärssystem till den tomma skärmen försöken med tids låsa dem till provstart (som om en bild hade lagts fram).
- Subtrahera detta genomsnitt mall från varje prövning av alla andra stimulansförhållanden. Om flera block kördesför samma stimulans plats, gör det separat för varje block, som mall kommer att vara något annorlunda mellan blocken.
- Alla andra förbehandling och processteg utförs som i alla andra ERP-experimentet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En samtidig EEG-TMS undersökningen för att avslöja huruvida de ERP svar på ansikten och kroppar som spelats över occipito-temporal hårbotten är dissocierade. När visuella stimuli presenteras, är en framstående N1 komponent registrerats vid bakre-lateral elektroderna. Framför allt är det N1-komponenten normalt större för ansikten och kroppar än andra stimulanskategorier 8,33. Genom att bedöma effekten av stimuleringen på ansikte och kropp-selektiva hjärnområden som definierats med fMRI på sina respektive ansikte och kropp N1 komponent, försökte vi att avslöja om ansikte och kropp N1 svaren speglar (åtminstone delvis) icke-överlappande källor, eller snarare samma nätverksaktivitet med kvantitativt olika aktiveringsnivåer.
Vi tillämpade en dubbelpulsstimulering vid 60 ms och 100 ms efter bilddebut (se till exempel Pitcher et al. 34,35), till ansikte-selektiva och kropps-selektiva områden i sidled occip Ital cortex - occipital-Face Area (OFA) och Extrastriate Body Area (EBA) (Figur 4A, se avsnitt 1.3 ovan för definitionen av den relevanta fMRI kontraster). De två områdena stimulerades i separata block, medan individer visade bilder av ansikten och huvudlösa kroppar. Resultaten visar att stimulans till OFA förbättra N1 amplitud till ansikten, men inte kroppar, medan stimulering till EBA stärka N1 till kroppar men inte ansikten. Figur 2B visar ansiktet N1 före och efter TMS rest artefakt subtraktion, och figur 4B visar den specifika effekten av TMS på N1-komponenten som en funktion av stimulerade området.
Dessa resultat visar hur fMRI-guidad TMS under samtidig EEG-inspelning kan tillämpas för att bedöma om två (eller fler) neurala nätverk dissocieras, samt att fastställa ett orsakssamband mellan ett funktionellt definierad hjärnområde och en elektrofysiologisk signal.
ove_content "fo: keep-together.within-page =" alltid ">
.. Figur 1 Databehandling Råa och bearbetade data från ett representativt ämne, vid lateral-occipital elektrod PO8 (A) Raw EEG data inklusive två försök, vardera innehållande två TMS pulser separerade med 40 msek (röda pilar),. (B) Zooma in data efter puls bort. De två pulser vid varje försök avlägsnas från data genom att skära ett fönster i närheten av det dubbelpuls (2 ms före första puls till 16 millisekunder efter sekunders puls). De skurna kanterna kopplas sedan genom interpolation (röda pilar) som förklaras i 4.1.2, (C) Den interpolerade segmentet tillåter filtrering utan att skapa kant artefakter. I denna figur är en 40 Hz lågpassfiltreras ERP (röd) plottas mot dess icke-filtrerad version(Grå), (D) Som ett alternativ till interpolation, kan de fria ändarna som är kvar efter puls borttagning fogas samman (se exempelvis Fugetta et al 26, och punkt 4.1.2 i texten). Här är båda metoderna jämförs och visar mycket liknande vågformer (blå och röda spår överlappar oftast), efter låg-passfiltrering vid 40 Hz. Rött spår: linjär interpolation metod; blå spår:. ingen interpolation (anslutna kanter tas isär för bara rita ändamål, för att hålla konsekvens av tidsaxeln) Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. TMS artefakter och subtraktion tekniken. (A) Vänster - ERP tid-låst till presentationen av en bild av ett ansikte, med en dubbel-puls TMS på 60 ms och 100 ms efter bild debut. Varje linje representerar en elektrod. Observera att för vissa elektroder omedelbar TMS artefakt följs av en längre kvarvarande artefakt. Höger - Ungefärlig spole läge symboliseras av de två röda cirklar, och några elektroder märkta för läggning, (B) Artifact-subtraktion förfarande. Den omedelbara puls artefakt tas bort (dold), är en mall av rest uppmätt utifrån "TMS bara" prövningar och subtraheras från fullständiga studier. Anpassad med tillstånd från Sadeh m.fl. 7. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
p_upload/51063/51063fig3highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51063/51063fig3.jpg "/>
Figur 3. Stereotactic navigeringssystem. Överst: Ställa landmärken för Corregistration. För att corregister den strukturella avsökning av huvudet med den faktiska huvudposition under experimentet är anatomiska landmärken markeras på bilden som visas av pilarna. Därefter är de platser i rymden av samma landmärken i ämnet huvud ges till systemet med hjälp av en specialiserad tracker som upptäcks av kameran Botten:. Funktionella områden i hjärnan kan vara målinriktat. Aktiveringar är överlagrade på den anatomiska bilden och önskade områden är markerade och sparas. Under sessionen försöksledaren kan läsa in ett fördefinierat område att rikta med TMS. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. Representativa resultat. Dubbel-puls TMS applicerades antingen till höger OFA eller till höger EBA, vid 60 ms och 100 ms efter uppkomsten av ett ansikte eller en huvudlös-kroppsuppfattning. En dissociation mellan ansikte-N1 och kroppen-N1 svaren gjordes (A) De två målområden i ett representativt ämne, (B) Vänster - dubbel dissociation mellan ansiktet och kroppen näten.. TMS till OFA förbättrat N1 svar på ansikten, men inte kroppar, relativt till TMS till EBA. Det motsatta mönstret visas för huvudlös-body stimuli. Höger - N1 topp amplitud för ansikten och kroppar, efter OFA stimulering, EBA stimulering, och utan TMS stimulering. Felstaplar anger SEM. Dessa siffror har anpassats med tillstånd från Sadeh
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Att ha en unik förmåga att tillfälligt störa normal nervaktivitet i utvalda kortikala områden, i exakta tidpunkter och med en relativt god geografisk noggrannhet, gör TMS att kausalt länka en stimulerad hjärnområde med ett beteende eller en neurofysiologisk åtgärd. I denna uppsats har vi beskrivit en metod för mätning av EEG vid samtidig TMS program, inriktning funktionellt definierade kortikala områden, att utföra en analys som möjliggör en pålitlig mätning av ERP-lösningar. Vi gav ett exempel från litteraturen där TMS användes i kombination med EEG och fMRI för att fråga om givna fMRI definierade områden i hjärnan (dvs. OFA och EBA) är kausalt samband med ERP svar på sina önskade stimuli (dvs. ansikten och kroppar).
Den subtraktion beskrivna tekniken, som validerades 19 och tillämpas i flera studier 7,26,27, har flera anmärkningsvärda fördelar: det tillåter eliminering av restal långvarig TMS artefakt som täcker tidsfönster för de flesta viktiga ERP-komponenter; det lika eliminerar artefakten komponenter från muskulös, mekanisk (elektrisk störning till elektroderna) och icke-önskvärda kortikala (t.ex. hörsel) ursprung; och det är robust och tillförlitlig även i elektroder som ligger direkt under eller i närheten av spolen. Notera att linjebrus kan även uttalad i dessa elektroder, utöver den förbättrade amplitud TMS puls artefakt, eftersom spolen kan vara vidröra eller ligga i nära anslutning till elektroden eller trådarna. Tekniken demonstreras här möjliggör utvinning av ERP på dessa elektrod webbplatser. Detta är av största vikt eftersom väldigt ofta framkallade reaktioner av intresse har sitt ursprung i eller nära det stimulerade kortikala område. Dessutom återhämtar signaler från hela hårbotten är nödvändig i de fall källrekonstruktionsalgoritmer är önskvärda.
Kombinationen av forskningsverktyg framgångsh som TMS, EEG och fMRI, var och lägga fram olika aspekter av neural aktivitet och attackera liknande frågor från olika vinklar, är ett lovande steg framåt i forskningen om människans kognition och hjärnans funktion. Det kan förväntas att TMS allt mer kommer att användas i kombination med EEG för att orsaks associera kognitiva eller beteendemässiga funktioner till elektrisk aktivitet, och för att ytterligare undersöka närvarande utveckla områden som synkronisering, hjärn svängningar och anslutningsmöjligheter, i hög tids-och rumsupplösning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar att de inte har några konkurrerande ekonomiska intressen.
Acknowledgments
Vi vill tacka David Pitcher för hans värdefulla bidrag till denna TMS experiment. Denna forskning har finansierats av ett stipendium från Levie-Edersheim-Gitter Institutet för Brain Mapping BS, ett bidrag från Wolfson stiftelsen; ger 65/08 och 1657 till 1608 från den israeliska Science Foundation och ett resestipendium från British Council Forskare utbytesprogrammet till GY Experimentet utfördes 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).
