Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Behavior

Транскраниальной магнитной стимуляции для исследования причинно-следственная Мозг-поведенческие отношения и их курс Time

doi: 10.3791/51735 Published: July 18, 2014

Summary

Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) представляет собой метод для неинвазивного разрушения нервной обработку информации и измерения его влияния на поведение. При ТМС мешает задачи, это означает, что стимулировало область мозга необходим для нормального выполнения задания, что позволяет одним систематически относятся участки мозга, чтобы когнитивных функций.

Abstract

Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) является безопасным, неинвазивный метод стимуляции мозга, которая использует сильный электромагнит, чтобы временно нарушить обработку информации в области мозга, создавая недолго "виртуальный поражения." Стимулирование что мешает выполнению задания указывает что пострадавшим регионом мозга необходимо нормально выполнить задачу. Другими словами, в отличие от методов нейровизуализации, таких как функциональной магнитно-резонансной томографии (МРТ), которые указывают на корреляцию между мозгом и поведением, TMS может быть использован, чтобы продемонстрировать причинные мозга поведение отношения. Кроме того, путем изменения длительности и начало виртуального очага, TMS может также показывают временной ход нормальной обработки. В результате, ТМС стала важным инструментом в когнитивной нейронауки. Преимущества техники над поражение дефицитом исследований включают в себя улучшение пространственно-временной точности срыва эффекта, возможность использовать участникам в качестве своего сотрудничествауправляете предметы и доступность участников. Ограничения включают одновременное аудиторию и соматосенсорной стимуляции, которые могут повлиять на исполнение задач, ограниченный доступ к структурам более чем на несколько сантиметров от поверхности кожи головы, а также относительно большое пространство свободных параметров, которые должны быть оптимизированы для того, для эксперимента, чтобы работать. Экспериментальные проекты, которые тщательно рассматривать соответствующих условиях контроля помочь в решении этих проблем. Эта статья иллюстрирует эти вопросы с результатами TMS, которые исследуют пространственные и временные вклад левой супрамаргинального извилины (SMG) в чтение.

Introduction

Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) является безопасным и неинвазивным инструмент, используемый для стимуляции мозга. Он использует быстро меняющейся электрический ток внутри проводящей катушки для генерации сильный, но относительно фокусное, магнитное поле. При нанесении на кожу головы, магнитное поле индуцирует электрическую активность в базовой ткани головного мозга, временно нарушая локальной обработки корковый информации. Это переходный вмешательство эффективно создает кратковременное ощущение "виртуальный поражение" 1,2. Этот метод предлагает неинвазивный метод для рисования причинные выводы мозга поведения и расследования временную динамику онлайн-нейронной обработки информации в обоих здоровых взрослых и неврологических больных.

По выборочно препятствуя регионально конкретной корковой обработки, ТМС можно использовать для рисования причинно-следственные связи между регионами головного мозга и особенностей поведения 3,4. То есть, если стимулировать области коры значительновлияет на производительность задача относительно соответствующих контрольных условиях, это означает, что площадь стимулировали необходимо нормально выполнять задачу. Причинно-следственные выводы такого рода являются одним из основных преимуществ ТМС более методов нейровизуализации, таких как функциональной магнитно-резонансной томографии (МРТ) или позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). В отличие от методов нейровизуализации, которые измеряют нейронной активности и соотнести его с поведением, ТМС предлагает возможность возмутить нейронной обработки информации и измерения ее влияния на поведение. В этом смысле, это больше походит на традиционный поражение дефицита анализирует у больных с поражением головного мозга, за исключением того ТМС является неинвазивным и последствия, к сожалению, и обратимым. TMS также имеет ряд преимуществ перед поражения исследований. Например, эффекты стимуляции как правило, более пространственно точным, чем в природе поражений, которые часто большой и сильно различаются по пациентов. Кроме того, участники могут быть использованы как собственные средства управления, therebу избегая вопроса о потенциальных различий в предварительно болезненных способностей между пациентами и управления. Наконец, не хватает времени для функциональная реорганизация пройдет во ТМС, это означает, что процессы восстановления вряд ли смешивать результаты 5. Другими словами, ТМС предлагает мощный инструментарий для исследования причинно-следственных мозга поведения отношения, которые дополняет коррелятивные такие методы, как функциональной нейровизуализации.

TMS также может быть использован для исследования временной ход нейронной обработки информации с помощью очень коротких очередей стимуляции и разной начало стимуляции 6. Как правило, это включает в себя либо одинарную или двойную TMS импульса доставлен в регионе в различных точках времени в рамках судебного разбирательства. Поскольку эффект отдельного импульса TMS происходит сразу и длится где-то от 5 до 40 мс 7-10, это позволяет исследователю карту временную динамику региональной активности нейронов в том числе его ОНСЕт, продолжительность, и смещение 11,12. Продолжительность этого нарушения ограничивает временное разрешение метода в 10-х мс, примерно на порядок грубее электроэнцефалографии (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографии (MEG). С другой стороны, тайминги, наблюдаемые в хронометрических исследований TMS, как правило, совпадают с тем, инвазивных нейрофизиологических записи лучше, чем ЭЭГ и МЭГ 9,13. Предположительно это происходит потому, ЭЭГ и МЭГ измерения крупномасштабных нейронов синхронность, что отстает от первой начала деятельности 14. Кроме того, как МРТ и ПЭТ, ЭЭГ и МЭГ являются корреляционные меры всей деятельности мозга в то время как хронометрическая ТМС может не только предоставить важную информацию о региональных временной динамики, но и о необходимости регионе для данного поведения.

Хотя ТМС была первоначально разработана для исследования физиологии двигательной системы 15, он был быстро принят в качестве ценного инструмента для cognitiве неврологии. Один из самых ранних видов использования "виртуальной поражение" техники было побудить речи арест, стимулируя левой нижней лобной коры 16-18. Результаты подтвердили важность зона Брока для производства речи и предложил потенциальную альтернативу тестирования Вада, чтобы определить язык господство после нейрохирургических вмешательств 16,19. Теперь ТМС используется практически во всех областях когнитивной неврологии в том числе внимание 20, память 21, визуальной обработки 22, планирования мероприятий 23 принятия решений 24, и языка обработки 25. Обычно ТМС вызывает либо увеличение количества ошибок или раз медленнее реакции (РТС), оба из которых взяты в качестве индикаторов причинно-следственных связей между мозгом и поведением 3,4. Некоторые исследования использовать TMS и в его режиме виртуальной поражения и как хронометрической инструмента. Например, Кувшин и его коллеги 11 впервые показали, что повторяющиеся ТМС(МТМС), передаваемые в затылочной области лица нарушается точную дискриминацию лица и затем используется хронометрические TMS, чтобы определить, что этот эффект присутствует только при ТМС был доставлен в 60 и 100 мс, демонстрируя, что именно этот регион мозг обрабатывает лицо частей информации в начале этап распознавания лиц. Во всех примерах, упомянутых здесь, ТМС вводят "он-лайн", то есть во время выполнения задания, так что эффекты TMS являются немедленное и недолго (т.е., эффекты тех пор, пока продолжительность стимуляции). Это контрастирует с "офф-лайн" ТМС, которая включает в себя либо длинные пробеги низкой стимуляции 21 частот или короткими очередями узорной стимуляции 26 перед началом задачи. В автономном ТМС эффекты последний хорошо вне длительности самого приложения TMS. Эта статья сосредоточена исключительно на подходе "он-лайн".

Первые шаги в подготовке любой TMS еXperiment включать в себя идентификацию протокола стимуляции и выборе метода локализации. Параметры стимуляции включают интенсивность, частоту и продолжительность TMS и ограничены международно определенных требований безопасности 27,28. Каждый эксперимент ТМС также требует подходящей процедуры локализации для позиционирования и ориентации катушку точно над местом стимуляции. Локализация может быть основан на стандартном пространстве координат 29 или 10 - 20 система 30 локализации, но обычно настраивается для каждого отдельного участника 31. Для последнего, Есть много вариантов, которые включают ориентации стимуляции, основанные на анатомии каждого человека 32, функционально локализующие помощью МРТ 33 или функционально локализации использованием ТМС 34. Протокол, представленные здесь выступает функциональное локализацию с TMS в рамках общего протокола для он-лайн экспериментов TMS. Затем иллюстративный пример представлен, как TMS может быть использованисследовать функциональные вклад левой супрамаргинального извилины (SMG) в фонологической обработки в чтении.

Protocol

Этот протокол был одобрен UCL этике наблюдательного совета (# 249/001) для неинвазивного стимуляции мозга неврологически здоровых добровольцев.

1. Создать протокол TMS

Почти все TMS эксперименты в когнитивной нейронауки использовать двухфазную стимуляцию в сочетании с фигурным катушки фигура-восьмерки. Это дает возможность по оперативному принятию серии импульсов (> 1 Гц) и целевой корковой сайт как можно более точно. Можно использовать моно-фазовый стимуляции 35 или другую форму катушки 36, но здесь стандартной конфигурации был применен.

  1. Выберите частоту и продолжительность стимуляции.
    ПРИМЕЧАНИЕ: общий выбор в когнитивной нейронауки является использование 10 Гц стимуляции для 500 мс от начала стимула 37-40.
  2. Выберите уровень интенсивности на основе обширного экспериментального тестирования. Держите его постоянным по участникам.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для оборудования UСЭД здесь, обычно используемые интенсивности в диапазоне от 50 - 70% от максимальной мощности стимулятора 11,41-44.
  3. Выберите между пробную интервал. Для обоих практических и из соображений безопасности, отделить испытания стимуляции как минимум на 3 - 5 сек 27,45.

2. Выполните Голова Регистрация

  1. Приобретать высокого разрешения, T1-взвешенных анатомическую магнитно-резонансной томографии (МРТ) сканирования для каждого участника на отдельной сессии до начала TMS. Включите координатных точек на изображении, который будет использоваться в шаге 2.3.
  2. Загрузите сканирование в бескаркасных системы Стереотаксия перед TMS сессии, с тем чтобы точно адресности стимуляции участков в каждого участника. Отметить стимуляции сайтов на голове в начале эксперимента или контролировать непрерывно в течение всего эксперимента.
  3. Отметить четыре координатных точек на изображении участника. Обычно к ним относятся кончик носа, переносицу, и несп выше козелка каждого уха.
  4. Предоставление информации об участнике о TMS для них, чтобы дать информированное согласие на участие в эксперименте.
  5. Попросите участников заполнить форму ТМС безопасности экрана, которая была одобрена на Institutional Review Board в.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Постоянные противоречия в TMS включают личную или семейную историю эпилепсии, клинический историю неврологических или психиатрических проблем, или имплантированных медицинских устройств, таких как кардиостимулятор или кохлеарные имплантаты. Требования безопасности Не после ТМС потенциально может вызвать обморок и арест.
  6. Поместите предмет трекер на голове участника; он будет действовать в качестве эталона при измерении координатных точек. Прикоснитесь к каждой отправная точка измерения на голове испытуемого с указателем, который поставляется с системой Стереотаксия и сохранить соответствующие координаты на компьютере. Калибровка голову субъекта с изображением МРТ. Проверьте качество регистрации и повторитепроцесс, если это необходимо.
  7. Попросите участника носить затычки для ушей во время стимуляции для ослабления звук разряда катушки и избежать повреждения слуха участников 46.
  8. Настройте TMS машину в соответствии с выборов, сделанных в разделе 1.
  9. Представьте участника в стимуляции перед тестированием для того, чтобы участник ознакомился с его ощущением и терпит хорошо. Впервые продемонстрировать стимуляции на руку исследователя, а затем на руку участника акклиматизироваться человека с ощущением.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Это особенно важно для участников, которые испытывают TMS впервые.
  10. Продемонстрировать протокол стимуляции на каждой из испытательных участков как ощущение может быть разным в разных местах. Поместите катушку на первом месте, как это определено в бескаркасных системы Стереотаксия таким образом, что катушка является касательной к коже головы и линией максимального магнитного потока пересекает улimulated сайт.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Стимуляция иногда влияет лица нервы или мышцы и может привести к дискомфорту, поэтому важно, чтобы проверить терпит ли участник это хорошо.

3. Выполните функциональный Локализация

  1. Оптимизация сайта стимуляции, настроив его в каждого участника. Отметить несколько потенциальных мест стимуляции внутри региона мозга интереса на структурной изображение участника. Найдите цели, по крайней мере 10 мм друг от друга, учитывая пространственное разрешение TMS 47 с использованием сетки или анатомические маркировку (рис. 1).
  2. Выберите радиомаяка задачу, краны в когнитивной функции интереса и имеет измеримое поведение (например, время реакции, точность, движений глаз). Повторите задачу несколько раз при тестировании возможные сайты и создавать различные версии задачи, чтобы избежать постоянного повторения раздражителей.
  3. Разрешить участник на практике задачу, нестимулирование, пока они комфортно с ним. Тогда ввести вторую сессию практики с ТМС случайно (или псевдо-случайным образом), указанная на 50% испытаний так, что участник привыкает к выполнению задачи, не отвлекаясь на стимуляции.
  4. Выберите испытательный полигон и запустить одну версию задачи курсового радиомаяка. Сразу же после этого проверить результаты, чтобы увидеть ли стимуляция влияет производительность.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Во многих случаях, стимулируя "неправильный" сайт будет на самом деле облегчения ответов относительно не стимуляции из-за между сенсорной облегчения 2, в этом случае за счет слуха щелчки и чувство ощущение стимуляции в коже головы. Кроме того, большие эффекты стимуляции (т.е. более 100 мс) часто артефактом и требуют повторного тестирования. Если они копируются и специфичны для особенно для тестирования сайта, то они могут быть подлинными эффекты. Не забудьте выбрать надежную меру в TMS эффекта быть уверенным в localizAtion.
  5. Если не наблюдается эффект, выбрать новый сайт тестирования и повторить, в противном случае проверить и тот же сайт снова, чтобы определить, является ли это повторяет. Проверьте несколько сайтов спина к спине в той же сессии, чтобы гарантировать, что они не все производят эффект, так как это будет означать, неспецифический TMS эффект. Автопогрузчик порядок, что сайты стимулируются через участников.

4. Главная задача

  1. После локализации и в той же сессии, запустить основной эксперимент с использованием целевой сайт, который был функционально локализованную.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Это будет включать в себя различные задачи той, которая используется в локализации, кроме одного, который разделяет ключевую процесс интерес. Например, задача суждение рифма может быть использован для локализации площадь чувствительным к обработке звуки слов в то время как задача суждение омофон могут быть использованы для основного эксперимента. В этом примере, обе задачи требуют фонологическую обработку написанных слов хотя конкретные требования группы и стимулировалли отличаются.
  2. Включите достаточные условия контроля, чтобы исключить неспецифические эффекты TMS.
  3. Проверьте и тот же сайт на задачи управления, которая не включает процесс интерес продемонстрировать функциональную специфику в обработке.
  4. Проверьте другой сайт на главной задачи, чтобы продемонстрировать анатомическую специфику эффекта.
  5. Включите дополнительные условия управления, такие как мнимого TMS, управляющих воздействий, или несколько временных окон.
  6. Провести традиционный "виртуальный поражения" эксперимент с теми же параметрами TMS, используемые во время локализации (например, интенсивность, частоту и длительность стимуляции). Для хронометрической эксперимента TMS, используйте ту же интенсивность, но заменить последовательность импульсов, используемых при локализации либо одной 48 или двойной импульс 49 доставлены в различные задержки начала.

Representative Results

Рисунок 2 иллюстрирует результаты двух экспериментов TMS указанных в качестве примеров. А именно, первый исследовали, может ли оставили SMG причинно участие в обработке звуки слов в то время как второй исследовали временную динамику такого участия. показывает репрезентативные результаты первого эксперимента, где мТМС (10 Гц, 5 импульсов, 55% максимальная интенсивность) был доставлен в SMG в течение трех задач. Фонологический задача акцентировал внимание на звуки слов («Есть ли эти два слова звучат одинаково? Знает-нос") в то время как семантическая задача направлена ​​на их значения ("ли эти два слова означают одно и то же? Идея-понятие»). Задача третья управления представлены пары согласных строк письма и попросил, были ли они идентичны ("wsrft-wsrft"). Каждая задача состояла из 100 испытаний. Результаты показали, что TMS значительно увеличилось РТС относительно не stimulatioп в фонологической задачи в среднем на 37 мс. В противоположность этому, SMG стимуляция не оказывает существенного влияния на индекс РТС в семантических или орфографических задач управления. Другими словами, "виртуальный поражение" левого SMG избирательно мешали обработке звуки слов, что указывает на необходимость в обработке SMG фонологическими аспекты написанные слова 44.

Рисунок 2B показывает репрезентативные результаты хронометрической эксперимента исследуя временной ход фонологической обработки в SMG. Здесь дважды ТМС импульс был доставлен в пяти разных окнах времени после начала стимула в течение того же фонологической задачи с 100 испытаний, разделенных на пять равных блоков, каждый тестирование отличается временное окно. По сравнению с базовым условием (40/80 мс), значительное увеличение в РТС наблюдалось при ТМС был доставлен 80/120, 120/160 и 160/200 мс после начала стимула. Эти результаты показали SMG было дополнительно вступилиред в фонологической обработки от 80 до 200 мс после начала стимула, указывая как рано и постоянное участие в фонологической обработки 44.

Рисунок 1
Рисунок 1. Два распространенных методов маркировки потенциальные сайты стимуляции. (А) первый метод включает размещение сетки маркеров по площади ручной двигателя и тестирование каждый до тех пор, TMS не производит ожидаемого эффекта. Этот подход является общим для идентификации двигателя «горячую точку» - то есть, место, где стимуляция производит самый сильный, самый надежный сокращение мышц (В) Второй способ применяется дополнительные анатомические сдерживает путем размещения набор маркеров в четко определены. Мозг область. В этом примере, расположение трех маркеров ограничен передней области SMG. Первый найтид превосходит прекращении задней восходящей ветви сильвиевой щели; второй находится в брюшной конце передней SMG; и третий находится примерно на полпути между двух других участков. Стимуляция маркеры показаны на парасагиттальной плоскости индивидуальной МРТ с использованием бескаркасных систему Стереотаксия. Бар черный масштаб в левом нижнем углу указывает на расстоянии 1 см.

Рисунок 2
Рисунок 2. Время реакции (РТС) от начала стимула. (A) noTMS (легкие бары) и TMS (темные столбики) условия в трех различных задач языка. (B) Пять стимуляции условия синхронизации в фонологической задачи. В примере, представленном здесь, двойные импульсы были доставлены на любом 40/80 мс, 80/120 мс, 120/160 мс, 160/200 мс, и 200/240 мс после начала стимула. Чтэ первое окно времени, 40/80 мс, был использован в качестве условия базовый управления, потому что визуальная информация не была как ожидается, прибудет в SMG, которая быстро. Планки погрешностей представляют стандартное отклонение от среднего регулировать правильно отразить в пределах объекта съемки дисперсию 50. Первый эксперимент содержит данные из 12 участников, а второй из 32 участников. * Р <0,05.

Discussion

Данная статья представляет собой протокол для оценки причинной и временной участие областях мозга в когнитивных процессов с использованием онлайн-TMS. Эта дискуссия подчеркивает первый критические шаги для создания успешного протокол TMS, а затем те ограничения, которые необходимо учитывать при проектировании эксперимент TMS.

Поскольку протоколы TMS есть большое количество свободных параметров, обеспечивая оптимальные параметры стимуляции является важным шагом в подготовке эксперимента TMS. Как правило, это достигается за счет экстенсивного пилотного тестирования, чтобы определить частоту стимуляции, продолжительность, интенсивность, между пробную интервал и ориентацию катушки необходимую для получения устойчивых эффектов. Для создания эффективной "виртуальный поражение" частота должна вызвать надежный эффект, который охватывает достаточно большое окно времени, чтобы охватить познавательный процесс интересов. В результате, как частота и продолжительность варьироваться в зависимости от исследований. Аналогичным образом, и #8220; интенсивность право "стимуляция является тот, который обеспечивает магнитное поле влияет нейронной обработки в области мозга целевой и здесь главным фактором является расстояние от катушки к стимуляции сайта 51. Многие исследования определить интенсивность стимуляции, необходимой для получения моторного ответа при стимуляции области рук первичной моторной коры и использовать это, чтобы нормализовать интенсивность через участников 52,53-55. Эта мера, однако, не является надежным показателем оптимальную мощность немоторных областях 42,51,56. Другой вариант заключается в использовании той же интенсивностью для всех участников. Выбранный интенсивность должна быть эффективной во всех пилотных субъектов после экспериментов с рядом интенсивности стимуляции. Кроме того, ориентация катушка является важным параметром, который необходимо учитывать. Конкретный ориентации катушки влияет на распределение наведенного электрического поля внутри стимулированного нейронов населения и, следовательно, могут влиять BehaВИОР. В общем, опубликованные протоколы могут стать отправной точкой, которая многократно изменяться при пилотного тестирования в соответствии с конкретными эксперимент. Часто, однако, информация об этом пилотного тестирования исключается из окончательного варианта рукописи, которая имеет неудачное действие скрывается некоторые ключевые аспекты процесса проектирования протокола.

Выбор процедуры локализации также имеет важное значение для обеспечения того, стимуляция вводят оптимального места. Хотя многие исследования успешно локализован стимуляции сайтов с использованием анатомии на основе методов, нацеленных на один расположен напротив отдельных участников 57,58, настройки сайта стимуляции для каждого субъекта в отдельности снижает между-предметной дисперсии в поведенческих результатов, дающих более эффективный метод 31. Здесь мы представили процедуру ТМС на основе функциональной локализации, который предлагает преимущества по сравнению с локализацией МРТ основе. В частности, это позволяет избежать проблема различных пространственных смещений бытьмежду МРТ (например, дренирующих вен 59) и TMS (т.е. ориентация аксонов в магнитном поле 6,60), что может привести к той же нервной реакции локализуется в различных местах. Кроме того, хорошо известно, что конкретное расположение активации "пиков" в МРТ может значительно изменяться, что делает их неоптимальной как TMS цели 55,61. Тем не менее, множество различных процедур локализации очевидно эффективным, так конкретный выбор менее важно, что обеспечение того, в зависимости от того используется метод обеспечивает надежные и воспроизводимые эффекты.

Хотя данные эксперимента, представленные здесь используется время реакции в качестве зависимой меры, есть много других вариантов. Например, некоторые исследования, а не использовать точность 9,12,62. В этих случаях, нормальное исполнение без ТМС уже ниже уровня потолка так нарушение индуцируется стимуляции, выраженные в баллах точности.Другие исследования измерили эффекты стимуляции на движения глаз 63,64. Самые познавательные эксперименты неврологии с ТМС, однако, использовать время реакции как их зависимого меры 13,48,65,66. Как правило, эффекты от порядка десятков миллисекунд, или примерно изменению времени реакции 67 10%. Независимо зависит мера применяется должна быть надежной и последовательной, так что относительно небольшие изменения могут быть легко наблюдается.

Как и любой экспериментальной техники, ТМС имеет важные ограничения, которые должны быть учтены при выборе этой методологии. Наиболее распространенными из них являются: я) пространственное разрешение TMS, II) неспецифические эффекты, связанные со стимуляцией, и III) аспекты безопасности методологии. Во-первых, TMS имеет ограниченную глубину стимуляции так как магнитное поле снижает интенсивность дальше оно от катушки. Следовательно, наиболее эффективным на стимулирование области мозга вблизи головы (~ 2 - 3 см) 68,69 69. TMS также имеет пространственное разрешение около 0,5 - 1 см 47,70-72. Таким образом, метод не может быть использован для исследования функциональных взносы от мелкозернистых пространственных структур, таких как корковых колонках.

Второе ограничение ТМС в том, что стимуляция вводит одновременно сенсорные побочные эффекты в результате быстро меняющемся магнитном поле. В частности, каждый магнитный импульс сопровождается слуховой щелчком мыши и нарезания резьбы ощущения. Поэтому ТМС может не подходить для определенных слуховых или соматосенсорной экспериментах, где эти побочные эффекты могут помешать выполнению задания. Однако следует отметить, что онлайн-ТМС успешно используется в некоторых слуховых экспериментов 73,74 75,76. Потому что эти различия сайт может вызвать экспериментальные путает, важно использовать либо сайт управления с аналогичными побочных эффектов на основной сайт, таких как контралатеральных гомологов 77 или включить контрольные условия / задачи, которые вы не используете в процессе интерес 24,62 , 73,78,79.

И, наконец, соображения безопасности всегда должны быть приняты во внимание при проектировании TMS эксперименты, как это может потенциально вызвать обморок и судороги 27. Чтобы минимизировать этот риск, принятые на международном уровне принципы для интенсивности стимуляции, частоты и продолжительности ExisTS, а также для общего количества импульсов и между пробных интервалами 27,28. Протоколы, которые остаются в этих руководящих принципов, как полагают, быть безопасными для неврологически нормальных участников. Стоит отметить, однако, что это еще неполным и что часто новые протоколы TMS вводятся также оказаться, что безопасным. В общем, данные свидетельствуют о том, что, когда опубликованные руководящие принципы следуют, ТМС является безопасной процедурой, без опасных побочных эффектов. Одним из следствий этих пределах, однако, в том, что поведенческие протоколы будут часто должны быть скорректированы, прежде чем они могут быть использованы с TMS. Это имеет значение для нескольких аспектах дизайна, в том числе длины эксперимента, числа испытаний, количество условий и стимулирования сайтов, которые могут быть проверены. Некоторые из этих ограничений можно преодолеть путем разделения эксперимент в отдельных сессий, таких как тестирование различных сайтов стимуляции в разные дни. В тех случаях, важно обеспечить, чтобы локализациии тестирование сайта сделано в течение той же сессии. Это сводит к минимуму экспериментальной дисперсии путем максимизации точности таргетинга. При принятии решения об использовании одного или нескольких испытаний сессию, фундаментальное ограничение является безопасность участника - в частности, количество стимуляции, которая является безопасной в течение одной сессии. Общее стимулирование включает в себя ознакомление, практика, локализацию (при использовании ТМС) и тестирование, потенциально более нескольких сайтах, и критически зависит от числа испытаний на каждое условие. Где этот показатель превышает руководящие принципы для одного сеанса, необходимо сломать эксперимент на несколько сессий, проводится, как минимум, 24 часов друг от друга. Есть не трудно-и-быстрые правила, касающиеся минимального числа испытаний, необходимых для TMS экспериментов, но, как и любой эксперимент, они могут быть вычислены с помощью стандартных расчетов энергии на основе величины эффекта, дисперсии, α-уровня (обычно 0,05) и желании чувствительность. Часто разумные оценкивеличина эффекта и дисперсии доступны в результате обширного экспериментального испытаний, проведенных с целью оптимизации экспериментальный протокол.

Таким образом, ТМС стала важным инструментом с широкими приложениями к когнитивной нейронауки. Эта статья предусматривает базовый протокол для интернет-TMS в сочетании с поведенческой задачи для исследования причинно-следственных мозга-поведенческая отношения как в режиме «виртуального поражения", а также хронометрическая инструмент для изучения временной динамики регионально конкретной обработки нейронной информации.

Disclosures

Авторы заявляют, что они не имеют конкурирующие финансовые интересы.

Acknowledgments

Авторы не имеют подтверждений.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Magstim Rapid2 stimulator Magstim, Carmarthenshire, UK
70 mm diameter figure-of-eight coil
Brainsight frameless stereotaxy system RogueResearch, Montreal, Canada
Polaris Vicra infrared camera Northern Digital, Waterloo, ON, Canada

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pascual-Leone, A., Bartres-Faz, D., Keenan, J. P. Transcranial magnetic stimulation: studying the brain-behavior relationship by induction of 'virtual lesions. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 354, 1229-1238 (1999).
  2. Walsh, V., Rushworth, M. A primer of magnetic stimulation as a tool for neuropsychology. Neuropsychologia. 37, 125-135 (1999).
  3. Paus, T. Inferring causality in brain images: a perturbation approach. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 360, 1109-1114 (2005).
  4. Sack, A. T. Transcranial magnetic stimulation, causal structure-function mapping and networks of functional relevance. Curr Opin Neurobiol. 16, 593-599 (2006).
  5. Walsh, V., Cowey, A. Magnetic stimulation studies of visual cognition. Trends Cogn Sci. 2, 103-110 (1998).
  6. Walsh, V., Pascual-Leone, A. Transcranial Magnetic Stimulation. A Neurochronometrics of Mind. The MIT Press. (2003).
  7. Esser, S. K., Hill, S. L., Tononi, G. Modeling the effects of transcranial magnetic stimulation on cortical circuits. J Neurophysiol. 94, 622-639 (2005).
  8. Amassian, V. E., et al. Suppression of visual perception by magnetic coil stimulation of human occipital cortex. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 74, 458-462 (1989).
  9. Corthout, E., Uttl, B., Walsh, V., Hallett, M., Cowey, A. Timing of activity in early visual cortex as revealed by transcranial magnetic stimulation. Neuroreport. 10, 2631-2634 (1999).
  10. Ilmoniemi, R. J., et al. Neuronal responses to magnetic stimulation reveal cortical reactivity and connectivity. Neuroreport. 8, 3537-3540 (1997).
  11. 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).
  12. Amassian, V. E., et al. Unmasking human visual perception with the magnetic coil and its relationship to hemispheric asymmetry. Brain Res. 605, 312-316 (1993).
  13. Duncan, K. J., Pattamadilok, C., Devlin, J. T. Investigating occipito-temporal contributions to reading with TMS. J Cogn Neurosci. 22, 739-750 (2010).
  14. Walsh, V., Cowey, A. Transcranial magnetic stimulation and cognitive neuroscience. Nat Rev Neurosci. 1, 73-79 (2000).
  15. Barker, A. T., Jalinous, R., Freeston, I. L. Non-invasive magnetic stimulation of human motor cortex. Lancet. 1, 1106-1107 (1985).
  16. Pascual-Leone, A., Gates, J. R., Dhuna, A. Induction of speech arrest and counting errors with rapid-rate transcranial magnetic stimulation. Neurology. 41, 697-702 (1991).
  17. Epstein, C. M., et al. Localization and characterization of speech arrest during transcranial magnetic stimulation. Clin Neurophysiol. 110, 1073-1079 (1999).
  18. Stewart, L., Walsh, V., Frith, U., Rothwell, J. C. TMS produces two dissociable types of speech disruption. Neuroimage. 13, 472-478 (2001).
  19. Picht, T., et al. A comparison of language mapping by preoperative navigated transcranial magnetic stimulation and direct cortical stimulation during awake surgery. Neurosurgery. 72, 808-819 (2013).
  20. Szczepanski, S. M., Kastner, S. Shifting attentional priorities: control of spatial attention through hemispheric competition. J Neurosci. 33, 5411-5421 (2013).
  21. Pobric, G., Jefferies, E., Lambon Ralph, M. A. Category-specific versus category-general semantic impairment induced by transcranial magnetic stimulation. Curr Biol. 20, 964-968 (2010).
  22. Pitcher, D., Goldhaber, T., Duchaine, B., Walsh, V., Kanwisher, N. Two critical and functionally distinct stages of face and body perception. J Neurosci. 32, 15877-15885 (2012).
  23. Neubert, F. X., Mars, R. B., Buch, E. R., Olivier, E., Rushworth, M. F. Cortical and subcortical interactions during action reprogramming and their related white matter pathways. Proc Natl Acad Sci U S A. 107, 13240-13245 (2010).
  24. Hartwigsen, G., et al. Phonological decisions require both the left and right supramarginal gyri. Proc Natl Acad Sci U S A. 107, 16494-16499 (2010).
  25. Sakai, K. L., Noguchi, Y., Takeuchi, T., Watanabe, E. Selective priming of syntactic processing by event-related transcranial magnetic stimulation of Broca's area. Neuron. 35, 1177-1182 (2002).
  26. Huang, Y. Z., Edwards, M. J., Rounis, E., Bhatia, K. P., Rothwell, J. C. Theta burst stimulation of the human motor cortex. Neuron. 45, 201-206 (2005).
  27. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Safety Pascual-Leone, A. ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin Neurophysiol. 120, 2008-2039 (2009).
  28. Wassermann, E. M. Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation: report and suggested guidelines from the International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 108, 1-16 (1998).
  29. Carreiras, M., Pattamadilok, C., Meseguer, E., Barber, H., Devlin, J. T. Broca's area plays a causal role in morphosyntactic processing. Neuropsychologia. 50, 816-820 (2012).
  30. Knecht, S., et al. Degree of language lateralization determines susceptibility to unilateral brain lesions. Nat Neurosci. 5, 695-699 (2002).
  31. Sack, A. T., et al. Optimizing functional accuracy of TMS in cognitive studies: a comparison of methods. J Cogn Neurosci. 21, 207-221 (2009).
  32. Camprodon, J. A., Zohary, E., Brodbeck, V., Pascual-Leone, A. Two phases of V1 activity for visual recognition of natural images. J Cogn Neurosci. 22, 1262-1269 (2010).
  33. Kanwisher, N., McDermott, J., Chun, M. M. The fusiform face area: a module in human extrastriate cortex specialized for face perception. J Neurosci. 17, 4302-4311 (1997).
  34. Taylor, P. C., Nobre, A. C., Rushworth, M. F. FEF TMS affects visual cortical activity. Cereb Cortex. 17, 391-399 (2007).
  35. Mottonen, R., Watkins, K. E. Motor representations of articulators contribute to categorical perception of speech sounds. J Neurosci. 29, 9819-9825 (2009).
  36. Levkovitz, Y., et al. A randomized controlled feasibility and safety study of deep transcranial magnetic stimulation. Clin Neurophysiol. 118, 2730-2744 (2007).
  37. Stewart, L., Battelli, L., Walsh, V., Cowey, A. Motion perception and perceptual learning studied by magnetic stimulation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol Suppl. 51, 334-350 (1999).
  38. Wig, G. S., Grafton, S. T., Demos, K. E., Kelley, W. M. Reductions in neural activity underlie behavioral components of repetition priming. Nat Neurosci. 8, 1228-1233 (2005).
  39. Bjoertomt, O., Cowey, A., Walsh, V. Spatial neglect in near and far space investigated by repetitive transcranial magnetic stimulation. Brain. 125, 2012-2022 (2002).
  40. Campana, G., Pavan, A., Casco, C. Priming of first- and second-order motion: Mechanisms and neural substrates. Neuropsychologia. 46, 393-398 (2008).
  41. Walsh, V., Ellison, A., Battelli, L., Cowey, A. Task-specific impairments and enhancements induced by magnetic stimulation of human visual area V5. Proc Biol Sci. 265, 537-543 (1998).
  42. Stewart, L. M., Walsh, V., Rothwell, J. C. Motor and phosphene thresholds: a transcranial magnetic stimulation correlation study. Neuropsychologia. 39, 415-419 (2001).
  43. Gough, P. M., Nobre, A. C., Devlin, J. T. Dissociating linguistic processes in the left inferior frontal cortex with transcranial magnetic stimulation. J Neurosci. 25, 8010-8016 (2005).
  44. Sliwinska, M. W., Khadilkar, M., Campbell-Ratcliffe, J., Quevenco, F., Devlin, J. T. Early and sustained supramarginal gyrus contributions to phonological processing. Front Psychol. 161, (2012).
  45. Chen, R., et al. Safety of different inter-train intervals for repetitive transcranial magnetic stimulation and recommendations for safe ranges of stimulation parameters. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 105, 415-421 (1997).
  46. Counter, S. A., Borg, E., Lofqvist, L. Acoustic trauma in extracranial magnetic brain stimulation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 78, 173-184 (1991).
  47. Brasil-Neto, J. P., et al. Optimal focal transcranial magnetic activation of the human motor cortex: effects of coil orientation, shape of the induced current pulse, and stimulus intensity. J Clin Neurophysiol. 9, 132-136 (1992).
  48. Schluter, N. D., Rushworth, M. F., Passingham, R. E., Mills, K. R. Temporary interference in human lateral premotor cortex suggests dominance for the selection of movements. A study using transcranial magnetic stimulation. Brain. 121, (5), 785-799 (1998).
  49. Juan, C. H., Walsh, V. Feedback to V1: a reverse hierarchy in vision. Exp Brain Res. 150, 259-263 (2003).
  50. Loftus, G. R., Masson, M. E. J. Using confidence-intervals in within-subject designs. Psychon Bull Rev. 1, 476-490 (1994).
  51. Stokes, M. G., et al. Biophysical determinants of transcranial magnetic stimulation: effects of excitability and depth of targeted area. J Neurophysiol. 109, 437-444 (2013).
  52. Gobel, S., Walsh, V., Rushworth, M. F. The mental number line and the human angular gyrus. Neuroimage. 14, 1278-1289 (2001).
  53. Watkins, K., Paus, T. Modulation of motor excitability during speech perception: the role of Broca's area. J Cogn Neurosci. 16, 978-987 (2004).
  54. Meister, I. G., Wilson, S. M., Deblieck, C., Wu, A. D., Iacoboni, M. The essential role of premotor cortex in speech perception. Curr Biol. 17, 1692-1696 (2007).
  55. Kawabata Duncan, K. J., Devlin, J. T. Improving the reliability of functional localizers. Neuroimage. 57, 1022-1030 (2011).
  56. Deblieck, C., Thompson, B., Iacoboni, M., Wu, A. D. Correlation between motor and phosphene thresholds: a transcranial magnetic stimulation study. Hum Brain Mapp. 29, 662-670 (2008).
  57. Knecht, S., Sommer, J., Deppe, M., Steinstrater, O. Scalp position and efficacy of transcranial magnetic stimulation. Clin Neurophysiol. 116, 1988-1993 (2005).
  58. Carreiras, M., et al. An anatomical signature for literacy. Nature. 461, 983-986 (2009).
  59. Turner, R. How much cortex can a vein drain? Downstream dilution of activation-related cerebral blood oxygenation changes. Neuroimage. 16, 1062-1067 (2002).
  60. Amassian, V. E., Eberle, L., Maccabee, P. J., Cracco, R. Q. Modelling magnetic coil excitation of human cerebral cortex with a peripheral nerve immersed in a brain-shaped volume conductor: the significance of fiber bending in excitation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 85, 291-301 (1992).
  61. Kung, C. C., Peissig, J. J., Tarr, M. J. Is region-of-interest overlap comparison a reliable measure of category specificity. J Cogn Neurosci. 19, 2019-2034 (2007).
  62. Pitcher, D., Garrido, L., Walsh, V., Duchaine, B. C. Transcranial magnetic stimulation disrupts the perception and embodiment of facial expressions. J Neurosci. 28, 8929-8933 (2008).
  63. Leff, A. P., Scott, S. K., Rothwell, J. C., Wise, R. J. The planning and guiding of reading saccades: a repetitive transcranial magnetic stimulation study. Cereb Cortex. 11, 918-923 (2001).
  64. Acheson, D. J., Hagoort, P. Stimulating the brain's language network: syntactic ambiguity resolution after TMS to the inferior frontal gyrus and middle temporal gyrus. J Cogn Neurosci. 25, 1664-1677 (1162).
  65. Stewart, L., Meyer, B., Frith, U., Rothwell, J. Left posterior BA37 is involved in object recognition: a TMS study. Neuropsychologia. 39, 1-6 (2001).
  66. Ashbridge, E., Walsh, V., Cowey, A. Temporal aspects of visual search studied by transcranial magnetic stimulation. Neuropsychologia. 35, 1121-1131 (1997).
  67. Devlin, J. T., Watkins, K. E. Stimulating language: insights from TMS. Brain. 130, 610-622 (2007).
  68. Roth, B. J., Saypol, J. M., Hallett, M., Cohen, L. G. A theoretical calculation of the electric field induced in the cortex during magnetic stimulation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 47-56 (1991).
  69. Zangen, A., Roth, Y., Voller, B., Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation of deep brain regions: evidence for efficacy of the H-coil. Clin Neurophysiol. 116, 775-779 (2005).
  70. Toschi, N., Welt, T., Guerrisi, M., Keck, M. E. A reconstruction of the conductive phenomena elicited by transcranial magnetic stimulation in heterogeneous brain tissue. Phys Med. 24, 80-86 (2008).
  71. Ravazzani, P., Ruohonen, J., Grandori, F., Tognola, G. Magnetic stimulation of the nervous system: induced electric field in unbounded, semi-infinite, spherical, and cylindrical media. Ann Biomed Eng. 24, 606-616 (1996).
  72. Thielscher, A., Kammer, T. Linking physics with physiology in TMS: a sphere field model to determine the cortical stimulation site in TMS. Neuroimage. 17, 1117-1130 (2002).
  73. Pattamadilok, C., Knierim, I. N., Kawabata Duncan, K. J., Devlin, J. T. How does learning to read affect speech perception. J Neurosci. 30, 8435-8444 (2010).
  74. Bestelmeyer, P. E., Belin, P., Grosbras, M. H. Right temporal TMS impairs voice detection. Curr Biol. 21, 838-839 (2011).
  75. Mennemeier, M., et al. Sham Transcranial Magnetic Stimulation Using Electrical Stimulation of the Scalp. Brain Stimul. 2, 168-173 (2009).
  76. Deng, Z. D., Peterchev, A. V. Transcranial magnetic stimulation coil with electronically switchable active and sham modes. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. (2011).
  77. Gobell, S. M., Rushworth, M. F., Walsh, V. Inferior parietal rtms affects performance in an addition task. Cortex. 42, 774-781 (2006).
  78. Nixon, P., Lazarova, J., Hodinott-Hill, I., Gough, P., Passingham, R. The inferior frontal gyrus and phonological processing: an investigation using rTMS. J Cogn Neurosci. 16, 289-300 (2004).
  79. Mottonen, R., Watkins, K. E. Using TMS to study the role of the articulatory motor system in speech perception. Aphasiology. 26, 1103-1118 (2012).
Транскраниальной магнитной стимуляции для исследования причинно-следственная Мозг-поведенческие отношения и их курс Time
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sliwinska, M. W., Vitello, S., Devlin, J. T. Transcranial Magnetic Stimulation for Investigating Causal Brain-behavioral Relationships and their Time Course. J. Vis. Exp. (89), e51735, doi:10.3791/51735 (2014).More

Sliwinska, M. W., Vitello, S., Devlin, J. T. Transcranial Magnetic Stimulation for Investigating Causal Brain-behavioral Relationships and their Time Course. J. Vis. Exp. (89), e51735, doi:10.3791/51735 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter