Waiting
Login processing...

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

Behavior

Transcraniële magnetische stimulatie voor het onderzoeken Causaal Brain-gedrags Relaties en hun Tijdcurve

doi: 10.3791/51735 Published: July 18, 2014

Summary

Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een techniek voor niet-invasief verstoren neurale verwerking van informatie en het meten van het effect ervan op gedrag. Als TMS interfereert met een taak, betekent dit dat de gestimuleerde hersengebied is noodzakelijk voor een normale taakuitvoering, zodat men hersengebieden systematisch betrekking op cognitieve functies.

Abstract

Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een veilige, niet-invasieve hersenstimulatie techniek die een sterke elektromagneet gebruikt om informatie te verwerken in een hersengebied tijdelijk verstoren, het genereren van een kortstondige "virtuele laesie." Stimulatie dat interfereert met de taakuitvoering geeft dat de getroffen hersengebied is benodigd voor het normaal functioneert. Met andere woorden, in tegenstelling neuroimaging methoden zoals functionele magnetische resonantie (fMRI) dat correlaties tussen hersenen en gedrag geven, TMS kan worden gebruikt voor causale hersen-gedrag relaties tonen. Bovendien, door het variëren van de duur en het begin van de virtuele laesie, TMS kan het tijdsverloop van de normale verwerking onthullen. Als gevolg daarvan heeft TMS een belangrijk instrument geworden in de cognitieve neurowetenschappen. Voordelen van de techniek studies laesie-tekort zijn beter ruimtelijk-temporele precisie van de verstoring zin mogelijkheid deelnemers als hun control onderwerpen, en de toegankelijkheid van de deelnemers. Beperkingen omvatten gelijktijdige auditieve en somatosensorische stimulatie die taak prestaties kunnen beïnvloeden, beperkte toegang structuren meer dan enkele centimeters van het oppervlak van de hoofdhuid en de relatief grote ruimte van vrije parameters die moeten worden geoptimaliseerd om het experiment te werken. Experimentele ontwerpen die zorgvuldig aandacht te schenken aan passende controlemaatregelen voorwaarden helpen om deze problemen aan te pakken. Dit artikel illustreert deze onderwerpen met TMS resultaten die de ruimtelijke en temporele bijdragen van de linker supramarginale gyrus (SMG) aan het lezen te onderzoeken.

Introduction

Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een veilige en niet-invasieve instrument dat wordt gebruikt voor hersenstimulatie. Het maakt gebruik van een snel veranderende elektrische stroom binnen een geleidende spoel om een ​​sterke genereren, maar relatief focale, magnetisch veld. Toegepast op de hoofdhuid, het magnetische veld induceert elektrische activiteit in het onderliggende hersenweefsel tijdelijk onderbreken lokale corticale informatieverwerking. Deze voorbijgaande storing effectief zorgt voor een kortdurende "virtuele laesie" 1,2. Deze techniek biedt een niet-invasieve methode voor het tekenen van causale hersen-gedrag gevolgtrekkingen en het onderzoeken van de temporele dynamiek van online neurale informatieverwerking, zowel bij gezonde volwassenen en neurologische patiënten.

Door selectief interfereren met regionaal-specifieke corticale verwerking, kan TMS worden gebruikt om causale verbanden tussen hersengebieden en specifiek gedrag 3,4 trekken. Namelijk als stimulerend een corticaal gebied significantbeïnvloedt taakuitvoering opzichte passende controle omstandigheden, betekent dit dat het gestimuleerde gebied De taak normaal functioneert. Causale gevolgtrekkingen van deze soort zijn een van de grote voordelen van TMS dan neuroimaging methoden zoals functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) en positron emissie tomografie (PET). In tegenstelling tot de neuroimaging technieken die neurale activiteit te meten en te correleren met gedrag, TMS biedt de mogelijkheid om neurale informatieverwerking verstoren en de effecten daarvan op het gedrag meten. In die zin is het meer als traditionele laesie-analyses van de tekortkomingen bij patiënten met hersenbeschadiging, behalve dat TMS is niet-invasief en de effecten zijn tijdelijk en omkeerbaar. TMS heeft ook een aantal voordelen ten opzichte van laesie studies. Bijvoorbeeld, het effect van stimulatie algemeen ruimtelijk nauwkeuriger dan natuurlijk voorkomende laesies, die vaak groot en variëren sterk in patiënten. Daarnaast kunnen de deelnemers gebruikt worden als hun eigen controles, thereby het vermijden van de kwestie van de mogelijke verschillen in pre-morbide capaciteiten tussen patiënten en controles. Tot slot is er onvoldoende tijd voor functionele reorganisatie plaatsvinden tijdens TMS, wat betekent dat het herstel processen zullen waarschijnlijk niet de resultaten 5 beschamen. Met andere woorden, TMS een krachtig hulpmiddel voor het onderzoeken causale hersen-gedrag relaties die correlatieve technieken zoals functionele neuroimaging aanvult.

TMS kan ook worden gebruikt om het tijdsverloop van neurale informatieverwerking onderzoeken met zeer korte uitbarstingen van stimulatie en variërende het begin van stimulatie 6. Doorgaans gaat het om een ​​enkele of dubbele puls TMS geleverd aan een gebied op verschillende tijdstippen binnen een proces. Omdat het effect van een individuele TMS puls direct optreedt en duurt ergens tussen 5 en 40 msec 7-10, dit kan de onderzoeker de temporele dynamiek van regionale neuronale activiteit inclusief de onse kaartt, duur, en offset 11,12. De duur van deze verstoring beperkt de temporele resolutie van de techniek om 10s van msec, ongeveer een orde van grootte grover dan elektro-encefalogram (EEG) en magneto (MEG). Anderzijds, de waargenomen chronometric TMS studies timings meestal die van invasieve neurofysiologische opnames beter EEG en MEG 9,13 passen. Vermoedelijk is dit omdat EEG en MEG meet grootschalige neuronale synchroon dat achterloopt op de vroegste aanvang van de activiteit 14. Daarnaast, zoals fMRI en PET, EEG en MEG zijn correlatieve maatregelen van hele hersenactiviteit terwijl chronometric TMS niet alleen kan leveren belangrijke informatie over de regionale temporele dynamiek, maar ook over de noodzaak van de regio voor een bepaald gedrag.

Hoewel TMS oorspronkelijk werd ontwikkeld voor het onderzoek naar de fysiologie van het motorische systeem 15, werd het al snel aangenomen als een waardevol instrument voor Cognitive neurowetenschappen. Een van de vroegste toepassingen als een 'virtuele laesie "techniek was om spraak te induceren door het stimuleren van de linker inferieure frontale cortex 16-18. De resultaten bevestigden het belang van het gebied van Broca voor spraak productie en suggereerde een potentieel alternatief voor Wada testen om taal dominantie na neurochirurgische ingrepen 16,19 bepalen. Nu TMS wordt gebruikt in vrijwel alle gebieden van de cognitieve neurowetenschappen waarbij ook aandacht is 20, geheugen 21, visuele verwerking 22, actieplanning 23, besluitvorming 24 en taalverwerking 25. Typisch TMS induceert zowel verhoogde foutenpercentages of langzamer reactietijden (RT's), die beide worden beschouwd als indicatoren van causale relaties tussen hersenen en gedrag 3,4. Sommige studies gebruiken TMS in zowel de virtuele laesie modus en als een chronometrische tool. Bijvoorbeeld, Pitcher en collega's 11 eerste bleek dat repetitieve TMS(RTMS) geleverd aan de occipitale gezicht gebied verstoord nauwkeurige gezicht discriminatie en vervolgens gebruikt chronometric TMS om vast te stellen dat dit effect was alleen aanwezig als TMS werd afgeleverd op 60 en 100 msec, waaruit blijkt dat dit specifieke hersengebied verwerkt face-deel informatie op een vroege fase van gezichtsherkenning. In alle hier genoemde voorbeelden wordt toegediend TMS "on-line", dat tijdens taakuitvoering, zodat de effecten van TMS zijn onmiddellijke en korte duur (dwz het effect zo lang als de duur van de stimulatie). Dit in tegenstelling tot "off-line" TMS die ofwel lange runs van laagfrequente stimulatie 21 of korte uitbarstingen van patroon stimulatie 26 gaat voordat u een taak. In off-line TMS de effecten duren tot ver buiten de duur van de TMS applicatie zelf. Dit artikel richt zich uitsluitend op de "on-line"-benadering.

De eerste stappen in het voorbereiden van eventuele TMS experiment omvatten het identificeren van een stimulatie protocol en het kiezen van een lokalisatie methode. Stimulatie parameters omvatten intensiteit, frequentie en duur van TMS en worden beperkt door internationaal gedefinieerde veiligheidseisen 27,28. Elke TMS experiment vereist ook een geschikte lokalisatie procedure voor het positioneren en oriënteren van de spoel nauwkeurig over de stimulatie plaats. Lokalisatie kan gebaseerd op standaard coördinaten in de ruimte 29 of 10 - 20 lokalisatiesysteem 30, maar typisch is aangepast aan iedere deelnemer 31. Voor deze laatste, zijn er vele opties die gericht stimulatie omvatten op basis van ieders individuele anatomie 32, functioneel lokaliseren met behulp van fMRI 33 of functioneel lokaliseren met behulp van TMS 34. De hier gepresenteerde protocol pleit functionele lokalisatie met TMS als onderdeel van een algemeen protocol voor on-line TMS experimenten. Vervolgens wordt een illustratief voorbeeld gegeven van hoe TMS kan wordende functionele bijdrage van de linker supramarginale gyrus (SMG) fonologische verwerking in het lezen te onderzoeken.

Protocol

Dit protocol werd goedgekeurd door de UCL Ethics Review Board (# 249/001) voor niet-invasieve hersenstimulatie van neurologisch normale menselijke vrijwilligers.

1. Maak de TMS-protocol

Bijna alle TMS experimenten in de cognitieve neurowetenschappen gebruiken bifasisch stimulatie in combinatie met een gevormde spoel figuur-acht. Dit biedt de mogelijkheid om een ​​snelle treinen van pulsen (> 1 Hz) en gericht op een corticale locatie zo nauwkeurig mogelijk. Het is mogelijk om mono-fasisch stimulatie 35 of een andere spoel vorm 36 gebruiken, maar hier is de standaard configuratie is toegepast.

  1. Kies een frequentie en duur van de stimulatie.
    OPMERKING: Een gemeenschappelijke keuze in de cognitieve neurowetenschappen is tot 10 Hz stimulatie te gebruiken voor 500 msec vanaf het begin van de stimulus 37-40.
  2. Kies een niveau van intensiteit gebaseerd op uitgebreide pilot-testen. Houd het constant over de deelnemers.
    OPMERKING: Voor de uitrusting used hier gebruikte intensiteiten variëren van 50 - 70% van het maximale vermogen stimulator 11,41-44.
  3. Kies een inter-trial interval. Voor zowel praktische en veiligheidsredenen, scheiden de stimulatie proeven door een minimum van 3-5 sec 27,45.

2. Voer Head Registratie

  1. Verwerven van een hoge resolutie, T1-gewogen anatomische magnetic resonance imaging (MRI) scan voor elke deelnemer een aparte sessie voor de TMS. Neem de referentiepunten in de afbeelding die wordt gebruikt in stap 2.3.
  2. Laad de scan in het frameless stereotaxie systeem voor de TMS sessie om nauwkeurige afstemming van de stimulatie locaties in elke deelnemer mogelijk te maken. Markeer de stimulatieplaatsen op de kop aan het begin van het experiment of monitor continu gedurende het experiment.
  3. Markeer eerst vier referentiepunten op de afbeelding van de deelnemer. Typisch deze omvatten het puntje van de neus, de brug van de neus, en de nietch boven de tragus van elk oor.
  4. Bieden de deelnemer informatie over TMS om voor hen te geïnformeerde toestemming voor deelname aan het experiment geven.
  5. Vraag de deelnemer aan een TMS Safety Screen formulier dat door de Institutional Review Board goedgekeurd voltooien.
    OPMERKING: Permanente tegenstellingen tot TMS onder andere een persoonlijke of familiale voorgeschiedenis van epilepsie, een klinische geschiedenis van neurologische of psychiatrische problemen, of geïmplanteerde medische apparatuur zoals een pacemaker of een cochleair implantaat. Het niet opvolgen van TMS veiligheidseisen kan mogelijk syncope en inbeslagneming induceren.
  6. Plaats het onderwerp tracker op het hoofd van de deelnemer; het zal fungeren als referentie bij het meten van referentiepunten. Raken elkaar vertrouwenspunt op het hoofd van de proefpersoon met een pointer die wordt geleverd met de stereotaxie systeem en sla de corresponderende coördinaten op de computer. Kalibreren hoofd proefpersoon met het imago van de MRI. Controleer de kwaliteit van de registratie en herhaalProces evt.
  7. Vraag de deelnemer om oordopjes te dragen tijdens de stimulatie om het geluid van de ontlading spoel verzwakken en schade aan deelnemers gehoor 46 voorkomen.
  8. Stel de TMS machine volgens de keuzes die in deel 1.
  9. Introduceer de deelnemer om stimulatie voor het testen om ervoor te zorgen dat de deelnemer vertrouwd gemaakt met zijn gevoel en goed verdraagt. Demonstreren eerste stimulatie op de arm van de onderzoeker en vervolgens op de arm van de deelnemer op de persoon met de sensatie acclimatiseren.
    OPMERKING: Dit is vooral belangrijk voor de deelnemers die ervaren TMS voor de eerste keer.
  10. Aantonen het stimuleringsprotocol op elk van de testlocaties de gewaarwording kan verschillen op verschillende locaties. Plaats de spoel op de eerste plaats zoals aangegeven door de frameloze stereotaxie systeem zodanig dat de spoel raakt aan de hoofdhuid en de lijn van de maximale magnetische flux snijdt de stimulated website.
    OPMERKING: Stimulatie soms invloed op het gezicht zenuwen of spieren en kan leiden tot ongemak dus het is belangrijk om te testen of de deelnemer verdraagt ​​het goed.

3. Voer Functionele Lokalisatie

  1. Optimaliseer de stimulatie plaats door het aan elke deelnemer. Markeer verschillende potentiële stimulatie sites binnen het gebied van de hersenen van de rente op het structurele de deelnemer. Toon doelstellingen zo 10 mm van elkaar gezien de ruimtelijke resolutie van TMS 47 via een raster of anatomische merken (figuur 1).
  2. Kies een localizer taak die kranen in de cognitieve functie van belang en heeft een meetbaar gedrag (bijvoorbeeld reactietijden, nauwkeurigheid, oog-bewegingen). Herhaal de taak herhaaldelijk bij het testen van de mogelijke locaties en leiden tot verschillende versies van de taak voortdurende herhaling van de stimuli voorkomen.
  3. Laat de deelnemer om de taak te oefenen zonderstimulatie tot ze comfortabel mee. Dan introduceren een tweede oefensessie met TMS willekeurig (of pseudo-willekeurig) presenteerde op 50% van de proeven, zodat de deelnemer gewend raakt aan het uitvoeren van de taak zonder afgeleid te worden door stimulatie.
  4. Kies een testlocatie en draaien een versie van de localizer taak. Onmiddellijk daarna de resultaten te controleren om te zien of stimulatie beïnvloed prestaties.
    Opmerking: In veel gevallen stimuleren van een "incorrect" site daadwerkelijk reacties opzichte geen stimulatie door inter-sensorische vergemakkelijking 2, in dit geval door raadpleging klikken en gevoel het gevoel van stimulatie in de hoofdhuid te vergemakkelijken. Bovendien, grote effecten van de stimulatie (bijvoorbeeld, meer dan 100 msec) vaak kunstmatig en vereisen hertesten. Als ze repliceren en zijn specifiek voor een bijzonder testen site, dan kunnen zij echte effecten. Zorg ervoor dat u kiest voor een robuuste maatregel van een TMS effect vertrouwen in localiz te zijnatie.
  5. Als er geen effect wordt waargenomen, kies een nieuwe testlocatie en herhaal, overigens dezelfde site opnieuw testen om te bepalen of het repliceert. Test meerdere sites back-to-back in dezelfde sessie zodat ze niet allemaal produceren een effect als dit een niet-specifieke TMS effect zou geven. Tegenwicht de volgorde dat sites worden gestimuleerd over de deelnemers.

4. Belangrijkste Taak

  1. Na lokalisatie en in dezelfde sessie, lopen de belangrijkste experiment met de target site die functioneel was gelokaliseerd.
    OPMERKING: Dit zal een andere taak te betrekken om de een gebruikt in de lokalisatie, maar een die de belangrijkste proces van belang deelt. Bijvoorbeeld kan een rijm arrest taak worden gebruikt voor het lokaliseren van een gebied gevoelig voor verwerking van de geluiden van woorden terwijl een homophone arrest taak kan worden gebruikt voor het hoofdexperiment. In dit voorbeeld, beide taken vereisen fonologische verwerking van geschreven woorden, hoewel de specifieke taakeisen en stimuli verschillen.
  2. Toereikende controle-omstandigheden uit te sluiten van niet-specifieke effecten van TMS.
  3. Test dezelfde site op een controle taak die niet is opgenomen het proces van belang zijn voor functionele specificiteit te tonen in de verwerking.
  4. Test een andere site op de belangrijkste taak om anatomische specificiteit van het effect aan te tonen.
  5. Omvat extra controle aandoeningen zoals sham TMS, controle stimuli of meerdere tijdvensters.
  6. Voer een traditionele "virtuele laesie" experiment met dezelfde TMS parameters tijdens lokalisatie (bijv., intensiteit, frequentie en duur van de stimulatie). Voor chronometrische TMS experiment, maken gebruik van dezelfde intensiteit maar vervang de reeks pulsen gebruikt tijdens de lokalisatie door een enkele 48 of dubbele puls 49 afgeleverd bij verschillende begin latencies.

Representative Results

Figuur 2 illustreert de resultaten van twee als voorbeeld genoemde TMS experimenten. Namelijk, het eerst onderzocht of de linker SMG is causaal betrokken bij de verwerking van de geluiden van woorden terwijl het tweede onderzoek de temporele dynamiek van deze betrokkenheid. Figuur 2A toont representatieve resultaten van het eerste experiment waarbij rTMS (10 Hz, 5 pulsen, 55% van maximale intensiteit) is SMG geleverd in drie taken. De fonologische taakgerichte aandacht op de klanken van de woorden ("Hebben deze twee woorden hetzelfde klinken? Weet-neus"), terwijl de semantische taak gericht op hun betekenis ("Hebben deze twee woorden hetzelfde betekenen? Idee-begrip"). Een derde controle taak gepresenteerd paren van medeklinker brief strings en ​​vroeg of ze waren identiek ("wsrft-wsrft"). Elke taak bestond uit 100 proeven. De resultaten toonden aan dat TMS aanzienlijk toegenomen RT opzichte geen stimulatien in de fonologische taak met een gemiddelde van 37 msec. In tegenstelling, SMG stimulatie had geen significant effect op de RT's in de semantische of orthografische controlerende taken. Met andere woorden een "virtuele laesie" van de linker SMG selectief verstoord verwerking van klanken woorden, waaruit de noodzaak van SMG in verwerking fonologische aspecten van teksten 44.

Figuur 2B toont representatieve resultaten van de chronometric experiment verkennen van het tijdsverloop van fonologische verwerking in SMG. Hier werd dubbele puls TMS afgeleverd op vijf verschillende tijdvensters na stimulusaanvang tijdens dezelfde fonologische taak met 100 proeven verdeeld in vijf gelijke blokken elke testen van verschillende tijdvenster. In vergelijking met de referentietoestand (40/80 msec), werd een significante toename van RT waargenomen wanneer TMS werd geleverd 80/120, 120/160 en 160/200 msec na het begin van de stimulus. Deze resultaten toonden SMG was engaged in fonologische verwerking tussen de 80 en 200 msec post-stimulus onset, met vermelding van zowel vroege en aanhoudende betrokkenheid bij fonologische verwerking 44.

Figuur 1
Figuur 1. Twee gebruikelijke merkmethoden potentiële stimulatieplaatsen. (A) Een eerste methode omvat het plaatsen van een raster van markeringen op een motorboten stippellijn testen elk tot TMS produceert het verwachte effect. Deze aanpak is gebruikelijk voor het identificeren van een motor "hot spot" - dat wil zeggen de plaats waar stimulatie produceert de sterkste, meest betrouwbare spiercontractie (B) Een tweede methode geldt extra anatomische bedwingt door het plaatsen van een set markeringen binnen een welomschreven. hersengebied. In dit voorbeeld is de locatie van de drie markers beperkt tot de voorste regio SMG. De eerste is te vindend superieur aan de beëindiging van de achterste opgaande ramus van de Sylvian spleet; de tweede is het ventrale einde van de voorste SMG; en de derde is ongeveer halverwege tussen de twee andere sites. Stimulatie markeringen worden getoond op een parasagittal vlak van een individuele MRI-scan met frameless stereotactische systeem. De zwarte schaal bar in de linker benedenhoek duidt op een afstand van 1 cm.

Figuur 2
Figuur 2. Reactietijden (RT) vanaf het begin van de stimulus. (A) noTMS (lichte balken) en TMS (donkere balken) omstandigheden in drie verschillende talen taken. (B) Vijf stimulatie timing omstandigheden in de fonologische taak. In het voorbeeld hier gepresenteerde, waren dubbele pulsen die op een van beide 40/80 msec, 80/120 msec, 120/160 msec, 160/200 msec en 200/240 msec na stimulusaanvang. The eerste tijdvenster, 40/80 msec werd gebruikt als basis controleconditie omdat visuele informatie niet verwacht dat sneller op de SMG. Fout balken geven de standaardafwijking van het gemiddelde gecorrigeerd te kunnen reflecteren binnen-onderwerp variantie 50. Het eerste experiment bevat gegevens van 12 deelnemers en de tweede van 32 deelnemers. * P <0,05.

Discussion

Dit artikel presenteert een protocol voor de beoordeling van de causale en temporele betrokkenheid van hersengebieden in cognitieve processen met behulp van online TMS. Deze discussie belicht eerst de kritische stappen voor het creëren van een succesvolle TMS protocol en dan de beperkingen die moeten worden overwogen bij het ontwerpen van een TMS experiment.

Omdat TMS protocollen hebben een groot aantal vrije parameters, zorgen voor de optimale stimulatie-parameters is een cruciale stap in de voorbereiding van een TMS experiment. Normaliter wordt dit bereikt door uitgebreide proefafnames om de stimulatiefrequentie, duur, intensiteit, inter-trial interval en spoel oriëntatie noodzakelijk robuuste effecten bepalen. Om een ​​effectieve 'virtuele laesie "maken van de frequentie moet een robuust effect dat een voldoende groot tijdvenster om het cognitieve proces dat van belang is bedekt induceren. Dientengevolge, zowel frequentie en duur varieert tussen studies. Ook de & #8220, rechts "stimulatie-intensiteit die zorgt magnetisch veld beïnvloedt neurale verwerking in de beoogde hersengebied en hier de belangrijkste factor is de afstand van de spoel tot de stimulatieplaats 51. Veel studies identificeren van de intensiteit van de stimulatie die nodig zijn om een motorische respons bij het ​​stimuleren van de kant gebied van primaire motorische cortex en dit gebruiken om de intensiteit te normaliseren over deelnemers 52,53-55. Deze maatregel is echter geen betrouwbare index van de optimale intensiteit voor niet-motorische gebieden 42,51,56. Een andere optie is om dezelfde intensiteit gebruiken voor alle deelnemers. De gekozen intensiteit moeten doeltreffend in alle piloot proefpersonen na het experimenteren met een scala aan stimulatie intensiteiten. Bovendien, de oriëntatie spoel is een belangrijke parameter die overweging vereist. De specifieke spoel oriëntatie beïnvloedt de verdeling van de geïnduceerde elektrische veld binnen de gestimuleerde neuronale populatie en kan derhalve beha beïnvloedenVior. In het algemeen kan gepubliceerde protocollen uitgangspunt dat iteratief wordt gewijzigd tijdens proefafnames het specifieke experiment realizeren. Vaak echter informatie over deze pilot testen wordt weggelaten uit het definitieve manuscript, dat de ongelukkige gevolgen van het verbergen van een aantal belangrijke aspecten van het protocol ontwerpproces heeft.

Het kiezen van een lokalisatie procedure is ook van essentieel belang om ervoor te zorgen dat de stimulatie wordt toegediend om de optimale plaats. Hoewel veel studies met succes hebben gelokaliseerde stimulatie sites met behulp van-anatomie gebaseerde methoden die een locatie aan de overkant van de individuele deelnemers 57,58 richten, het aanpassen van de stimulatie site voor elk onderwerp afzonderlijk vermindert tussen-subject variatie in gedrag resultaten waardoor een meer efficiënte methode 31. Hier presenteerden we een TMS-gebaseerde functionele lokalisatie procedure die voordelen ten opzichte van fMRI-gebaseerde lokalisatie biedt. Specifiek, vermijdt het probleem van ruimtelijke vertekeningen zijntween fMRI (dwz aftappen aders 59) en TMS (dat wil zeggen de oriëntatie van axonen in het magneetveld 6,60) die kunnen resulteren in dezelfde neurale respons wordt gelokaliseerd op verschillende locaties. Bovendien is het bekend dat de specifieke locatie van activatie "pieken" in fMRI sterk variëren, waardoor ze sub-optimaal TMS richt 55,61. Toch een verschillende lokalisatie procedures aantoonbaar effectief, zodat de specifieke keuze minder belangrijk ervoor te zorgen dat welke methode wordt toegepast betrouwbare, reproduceerbare effecten.

Hoewel het experiment hier gepresenteerde gegevens gebruikt reactietijden als afhankelijke maatregel, zijn er vele andere opties beschikbaar. Bijvoorbeeld, sommige studies gebruiken nauwkeurigheid plaats 9,12,62. In deze gevallen, normale uitvoering zonder TMS al dan plafondniveaus zodat de verstoring veroorzaakt door stimulatie wordt weerspiegeld in de nauwkeurigheid scores.Andere studies hebben de effecten van de stimulatie op oogbewegingen 63,64 gemeten. De meeste cognitieve neurowetenschap experimenten met TMS, echter gebruik maken van reactietijden als hun afhankelijke maatregel 13,48,65,66. Typisch, de effecten in de orde van tientallen msec, of ongeveer een 10% verandering in reactietijden 67. Wat afhankelijke maatregel is verwerkt robuust en consistent zijn, zodat relatief kleine veranderingen gemakkelijk worden waargenomen.

Zoals elke experimentele techniek, TMS heeft belangrijke beperkingen die moeten worden overwogen wanneer het kiezen van deze methodologie. De meest voorkomende zijn: i) de ruimtelijke resolutie van TMS, ii) de niet-specifieke effecten geassocieerd met stimulatie en iii) veiligheidsaspecten van de methode. Eerst TMS heeft een beperkte diepte van stimulatie, omdat het magnetische veld vermindert in intensiteit verder weg is van de spoel. Bijgevolg is het meest effectief bij het ​​stimuleren hersengebieden buurt hoofdhuid (~ 2 - 3 cm) 68,69 69 bereikt. TMS heeft ook een ruimtelijke resolutie van ongeveer 0,5-1 cm 47,70-72. Derhalve kan de methode niet worden gebruikt om de functionele bijdragen van fijnkorrelig ruimtelijke structuren zoals corticale kolommen onderzocht.

Een tweede beperking van TMS is dat de stimulatie introduceert gelijktijdige sensorische bijwerkingen als gevolg van de snel veranderend magnetisch veld. Het meest opvallend is, is elke magnetische puls vergezeld van een auditieve klik en een tikkend sensatie. Daarom TMS kan ongeschikt zijn voor bepaalde auditieve of somatosensorische experimenten waar deze bijwerkingen kan interfereren met de taak de prestaties. Merk echter op dat online TMS is met succes gebruikt in sommige auditieve experimenten 73,74 75,76. Omdat deze verschillen ter experimentele verwart kan induceren, is het belangrijk om ofwel een controleplaats met gelijke bijwerkingen om de belangrijkste plaats zoals contralaterale homologen 77 of onder controle omstandigheden / taken die niet profiteren van het proces plaats 24,62 , 73,78,79.

Tenslotte veiligheidsoverwegingen moet altijd rekening worden gehouden bij het ​​ontwerpen van TMS experimenten zoals het potentieel syncope en epileptische aanvallen 27 kan induceren. Om dit risico te minimaliseren, internationaal geaccepteerde richtlijnen voor stimulatie-intensiteit, frequentie en duur exists, alsmede het totale aantal pulsen en de inter-proces intervallen 27,28. Protocollen die blijven binnen deze richtlijnen worden verondersteld veilig voor neurologisch normale deelnemers te zijn. Opvallend is echter dat deze vooralsnog onvolledig zijn en die vaak nieuwe TMS protocollen worden geïntroduceerd die ook veilig te bewijzen. In het algemeen is het bewijs suggereert dat wanneer gepubliceerde richtlijnen worden gevolgd, TMS is een veilige procedure zonder gevaarlijke bijwerkingen. Een gevolg van deze beperkingen, echter dat gedragsprotocollen vaak moeten worden aangepast voordat ze kunnen worden gebruikt met TMS. Dit heeft gevolgen voor verscheidene aspecten van het ontwerp, zoals de lengte van het experiment aantal studies aantal voorwaarden en stimulatieplaatsen die getest kunnen worden. Sommige van deze beperkingen kunnen worden overwonnen door het splitsen van het experiment in afzonderlijke sessies zoals het testen van verschillende stimulatieplaatsen op verschillende dagen. In die gevallen is het belangrijk dat lokalisatie zorgenen het testen van een site worden gedaan binnen dezelfde sessie. Dit minimaliseert experimentele variantie door het maximaliseren van de nauwkeurigheid van de targeting. Bij de beslissing om een ​​of meer testsessie gebruikt, de fundamentele beperking is de veiligheid van de deelnemer - bepaald de hoeveelheid stimulatie die veilig in een sessie. De totale stimulatie omvat kennismaking, praktijk, lokalisatie (bij gebruik van TMS), en testen, mogelijk over meerdere sites, en kritisch is afhankelijk van het aantal onderzoeken per aandoening. Wanneer dit meer dan de richtlijnen voor een sessie, moet het experiment breken in meerdere sessies uitgevoerd minste 24 uur uit elkaar. Er zijn geen harde en snelle regels met betrekking tot het minimum aantal pogingen nodig zijn voor TMS experimenten, maar zoals elke experiment, kunnen deze worden berekend met behulp van standaard power berekeningen op basis van de grootte effect, variantie, α-niveau (meestal 0,05) en de gewenste gevoeligheid. Vaak redelijke schattingen vanhet effect grootte en variantie zijn als gevolg van de uitgebreide uittesten gedaan om de experimentele protocol optimaliseren.

Samengevat, is TMS een belangrijk instrument geworden met brede toepassingsmogelijkheden om de cognitieve neurowetenschappen. Dit artikel geeft een basis protocol voor online TMS in combinatie met een gedrags-taak voor het onderzoeken van causale hersen-gedrag relaties, zowel in "virtuele laesie"-modus en ook een chronometrische instrument voor de temporele dynamiek van regionaal-specifieke neurale informatieverwerking verkennen.

Disclosures

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen.

Acknowledgments

De auteurs hebben geen bevestigingen.

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).
Transcraniële magnetische stimulatie voor het onderzoeken Causaal Brain-gedrags Relaties en hun Tijdcurve
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