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Behavior

Transkranielle Magnetstimulation zur Untersuchung Kausal Brain-Verhaltens-Beziehungen und deren Zeitverlauf

Published: July 18, 2014 doi: 10.3791/51735
Automatic Translation
1, 1, 1
1Cognitive, Perceptual & Brain Sciences, University College London

Summary

Transkranielle magnetische Stimulation (TMS) ist eine Technik zur nicht-invasiven stören neuronale Informationsverarbeitung und Messung ihrer Wirkung auf das Verhalten. Wenn TMS stört mit einer Aufgabe, bedeutet dies, dass die stimulierte Hirnregion ist notwendig für den normalen Aufgabenleistung, so dass man systematisch betreffen Hirnregionen, um die kognitiven Funktionen.

Abstract

Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine sichere, nicht-invasive Gehirnstimulation Technik, die einen starken Elektromagneten verwendet, um vorübergehend stören die Informationsverarbeitung in einer Hirnregion, wodurch eine kurzlebige "virtuelle Läsion." Stimulation, die mit Aufgabenleistung stört zeigt dass die betroffenen Hirnbereich ist notwendig, die Task normal funktionieren. Mit anderen Worten, im Gegensatz zu bildgebenden Verfahren wie der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT), die Zusammenhänge zwischen Gehirn und Verhalten zeigen, TMS kann verwendet werden, um kausale Beziehungen Gehirn-Verhalten zu demonstrieren. Ferner kann durch Verändern der Dauer und Beginn der virtuellen Läsion, TMS kann auch zeigen den zeitlichen Verlauf der normalen Verarbeitung. Als Ergebnis hat TMS zu einem wichtigen Werkzeug in der kognitiven Neurowissenschaften. Die Vorteile der Technik gegenüber Läsion-Defizit-Studien sind bessere räumlich-zeitliche Präzision der Störung Wirkung, die Fähigkeit, den Teilnehmern ihre eigenen Zusammenarbeit zu nutzenntrol Themen, und die Zugänglichkeit der Teilnehmer. Einschränkungen sind gleichzeitig auditiven und somatosensorischen Stimulation, die Aufgabenleistung beeinflussen können, begrenzter Zugang zu Strukturen, mehr als ein paar Zentimeter von der Oberfläche der Kopfhaut, und die relativ großen Raum der freien Parameter, die im Auftrag für das Experiment funktioniert optimiert werden müssen. Experimentelle Designs, die sorgfältig geprüft, geeignete Kontrollbedingungen geben, helfen, diese Bedenken auszuräumen. Dieser Artikel veranschaulicht diese Fragen mit TMS Ergebnisse, die die räumliche und zeitliche Beiträge des linken Gyrus supramarginalis (SMG), um das Lesen zu untersuchen.

Introduction

Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine sichere und nicht-invasive Tool für Hirnstimulation. Es verwendet einen sich schnell ändernden elektrischen Strom in einer leitenden Spule erzeugen, um eine starke, aber relativ Brenn, Magnetfeld. Wenn sie auf die Kopfhaut aufgetragen, das magnetische Feld induziert elektrische Aktivität in dem darunterliegenden Hirngewebe vorübergehend gestört lokalen kortikalen Informationsverarbeitung. Diese vorübergehende Störung wird effektiv eine von kurzer Dauer "virtuellen Läsion" 1,2. Diese Technik bietet eine nicht-invasive Methode für die Erstellung kausalen Schlüsse Gehirn-Verhalten und die Untersuchung der zeitlichen Dynamik von Online-neuronaler Informationsverarbeitung in beiden gesunden Erwachsenen und neurologische Patienten.

Durch selektive Eingriffe in regional-spezifische kortikale Verarbeitung kann TMS verwendet werden, um kausale Zusammenhänge zwischen Gehirnregionen und spezifischen Verhaltensweisen 3,4 ziehen. Das heißt, wenn die Förderung einer kortikalen Bereich deutlichAufgabe Leistung im Vergleich zu geeigneten Kontrollbedingungen betrifft, bedeutet dies, dass der stimulierte Bereich ist notwendig, die Task normal funktionieren. Kausale Rückschlüsse dieser Art sind einer der großen Vorteile der TMS über bildgebende Verfahren wie die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) oder Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Im Gegensatz zu bildgebenden Verfahren, die neuronale Aktivität zu messen und zu korrelieren sie mit Verhalten, bietet TMS die Möglichkeit, stören neuronaler Informationsverarbeitung und messen ihre Auswirkungen auf das Verhalten. In diesem Sinne ist es eher wie traditionelle Läsion-Defizit-Analysen bei Patienten mit Hirnschäden, außer dass TMS ist nicht-invasiv und die Effekte sind zeitlich begrenzt und reversibel. TMS hat auch einige Vorteile gegenüber Läsion Studien. Zum Beispiel sind die Wirkungen der Stimulation im allgemeinen räumlich präzise als natürlich vorkommende Läsionen, die oft große und unterschiedlich stark in Patienten. Zusätzlich können die Teilnehmer ihre eigenen Kontrollen thereb verwendet werdeny Vermeidung der Ausgabe von Potentialdifferenzen in der Vor-morbide Fähigkeiten zwischen Patienten und Kontrollen. Schließlich gibt es genügend Zeit für die funktionelle Reorganisation während TMS zu nehmen, was bedeutet, dass Wiederherstellungsprozesse sind unwahrscheinlich, die Ergebnisse 5 verwechseln. In anderen Worten, bietet TMS ein leistungsfähiges Werkzeug für die Untersuchung von Gehirn-Verhalten kausalen Beziehungen, die korrelative Verfahren wie die funktionelle Bildgebung ergänzt.

TMS kann auch verwendet werden, um den zeitlichen Verlauf der neuronalen Informationsverarbeitung unter Verwendung von sehr kurzen Bursts von Stimulation und Variieren der Beginn der Stimulation 6 zu untersuchen. Typischerweise beinhaltet entweder ein Einzel-oder Doppelpuls-TMS an verschiedenen Zeitpunkten innerhalb einer Studie zu einer Region geliefert. Da die Wirkung eines einzelnen TMS Puls erfolgt sofort und dauert irgendwo zwischen 5 und 40 ms 7-10, ermöglicht dies, dass der Forscher die zeitliche Dynamik der regionalen neuronalen Aktivität einschließlich der onse Kartet, die Dauer und Offset 11,12. Die Dauer der Störung begrenzt die zeitliche Auflösung der Technik, um 10s ms, etwa eine Größenordnung gröber als die Elektroenzephalographie (EEG) und Magnetenzephalographie (MEG). Auf der anderen Seite, die TMS in chronometrische Studien beobachtet Zeiten neigen dazu, diejenigen von invasiven neurophysiologischen Aufnahmen besser als EEG und MEG 9,13 entsprechen. Vermutlich ist dies, weil EEG-und MEG-Messung Groß neuronale Synchronisation, die hinter dem frühesten Beginn der Tätigkeit 14 hinkt. Darüber, wie fMRI und PET, EEG und MEG sind Korrelat Maßnahmen der Ganzhirnaktivität, während chronometrische TMS können nicht nur wichtige Informationen über regionale zeitliche Dynamik sondern auch über die Notwendigkeit der Region für ein bestimmtes Verhalten.

Obwohl TMS wurde ursprünglich zur Untersuchung der Physiologie des Motorsystems 15 entwickelt, wurde es schnell als wertvolles Werkzeug für cogniti angenommenve Neurowissenschaften. Eine der ersten Anwendungen als "virtuelle Läsion"-Technik war die Rede Verhaftung durch die Stimulierung des linken inferioren frontalen Kortex 16-18 induzieren. Die Ergebnisse bestätigten die Bedeutung des Broca-Areal für die Sprachproduktion und schlug vor, eine mögliche Alternative zum Wada Tests zur Sprache Dominanz im Anschluss an neurochirurgischen Eingriffen 16,19 bestimmen. Jetzt TMS ist in nahezu allen Bereichen der kognitiven Neurowissenschaften einschließlich Aufmerksamkeit 20, Speicher 21, die visuelle Verarbeitung 22, 23 Aktionsplanung, Entscheidungs ​​24 und 25 Sprachverarbeitung eingesetzt. Typischerweise TMS induziert entweder erhöhte Fehlerraten oder langsamer Reaktionszeiten (RT), die beide als Indikatoren von kausalen Beziehungen zwischen Gehirn und Verhalten 3,4 gemacht. Einige Studien TMS sowohl in seiner virtuellen Läsion Modus und als Zeitmesswerkzeug. Zum Beispiel, Pitcher und Kollegen zeigten erstmals, dass 11 sich wiederholenden TMS(RTMS) mit dem Hinterhauptgesichtsbereich geliefert gestört genaue Gesichts Diskriminierung und dann verwendet, um zu bestimmen, chronometrische TMS, dass dieser Effekt nur vorhanden, wenn TMS wurde bei 60 ms und 100 geliefert, die belegen, dass diese bestimmte Gehirnregion verarbeitet face-Teil-Informationen in einem frühen Stadium der Gesichtserkennung. In allen hier genannten Beispielen TMS verabreicht "on-line", also während der Aufgabenausführung, so dass die Auswirkungen der sofortigen und TMS sind kurzlebig (dh halten die Wirkungen, solange die Dauer der Stimulation). Dies kontrastiert mit "off-line" TMS, die entweder lange Läufe von Niederfrequenzstimulation 21 oder kurze Ausbrüche von gemusterten Stimulation 26 vor Beginn einer Aufgabe umfasst. Im Offline-TMS die Wirkungen zuletzt weit über die Dauer der Anwendung selbst TMS. Dieser Artikel konzentriert sich ausschließlich auf das Konzept "on-line".

Die ersten Schritte bei der Herstellung irgendeiner TMS experiment das Identifizieren einer Stimulationsprotokoll und die Wahl eines Lokalisierungsverfahren. Die Stimulationsparameter sind Intensität, Häufigkeit und Dauer der TMS und werden von international festgelegten Sicherheitsanforderungen 27,28 eingeschränkt. Jeder TMS Experiment erfordert auch eine geeignete Lokalisation Verfahren zur Positionierung und Ausrichtung der Spule genau über die Stimulationsstelle. Die Lokalisierung kann auf Standard-basierten Raum-Koordinaten 29 oder 10 - 20 Lokalisierungssystem 30, aber in der Regel wird für jeden einzelnen Teilnehmer 31 angepasst. Für letztere gibt es viele Optionen, die Targeting-Stimulation sind auf der Grundlage des jeweiligen individuellen Anatomie 32, funktionell Lokalisierung mittels fMRT 33 oder funktional Lokalisierung unter Verwendung von TMS 34. Die hier vorgestellte Protokoll tritt für funktionelle Lokalisierung mit TMS als Teil einer allgemeinen Protokoll für Online-TMS Experimenten. Dann ein illustratives Beispiel ist, wie TMS verwendet werden präsentiertdie funktionalen Beiträge der linken Gyrus supramarginalis (SMG) zu phonologischen Verarbeitung im Lesen zu untersuchen.

Protocol

Dieses Protokoll wurde von der UCL Ethics Review Board (# 249/001) für nicht-invasive Gehirnstimulation von neurologisch normalen menschlichen Freiwilligen zugelassen.

1. Erstellen Sie die TMS-Protokoll

Fast alle TMS-Experimente in den kognitiven Neurowissenschaften verwenden zweiphasige Stimulation in Verbindung mit einer Figur einer achtförmigen Spule. Dies bietet die Möglichkeit, schnelle Impulszüge liefern (> 1 Hz) und eine Ziel kortikalen Website so genau wie möglich. Es ist möglich, mono-phasischen Stimulation 35 oder eine andere Spulenform 36 zu verwenden, aber hier ist die Standard-Konfiguration angelegt.

  1. Wählen einer Frequenz und Dauer der Stimulation.
    HINWEIS: Eine gemeinsame Wahl in den kognitiven Neurowissenschaften ist auf 10 Hz Stimulation für 500 ms ab Beginn des Stimulus 37-40 zu verwenden.
  2. Wählen Sie eine Intensität basierend auf umfangreichen Pilottests. Halten Sie es über die Teilnehmer konstant.
    HINWEIS: Für die Ausstattung uSED hier, reichen üblicherweise verwendeten Intensitäten zwischen 50 sind - 70% der maximalen Ausgangs Stimulator 11,41-44.
  3. Wählen Sie eine inter-Testintervall. Zum praktischen und Sicherheitsgründen trennen die Stimulation Studien, die von einem Minimum von 3 - 5 Sekunden 27,45.

2. Führen Leiter Registrierung

  1. Erwerben Sie eine hohe Auflösung, T1-gewichteten anatomischen Magnetresonanz-Tomographie (MRT) für jeden Teilnehmer auf einer separaten Sitzung vor der TMS. Fügen Sie in das Bild, das in Schritt 2.3 verwendet werden, die Bezugspunkte.
  2. Laden Sie den Scan in die rahmenlose Stereotaxie-System TMS vor der Sitzung, um eine genaue Ausrichtung der Stimulationsorte in jedem Teilnehmer zu ermöglichen. Markieren die Stimulationsstellen am Kopf zu Beginn des Experiments und während des Experiments kontinuierlich zu überwachen.
  3. Markieren vier Bezugspunkte auf das Bild des Teilnehmers. Typischerweise dazu gehören die Nasenspitze, die Brücke der Nase, und das nichtch über dem Tragus jedes Ohr.
  4. Geben Sie die Teilnehmer Informationen über TMS, damit sie informierte Zustimmung zur Teilnahme an dem Versuch zu geben.
  5. Fragen Sie die Teilnehmer, um eine TMS Sicherheitsbild Form, die vom Institutional Review Board genehmigt wurde, zu vervollständigen.
    HINWEIS: Permanent Widersprüche zu TMS gehören eine persönliche oder familiäre Geschichte der Epilepsie, eine klinische Geschichte der neurologische oder psychiatrische Probleme oder implantierten medizinischen Geräten wie Herzschrittmacher oder Cochlea-Implantate. Nicht TMS folgende Sicherheitsanforderungen möglicherweise induzieren Synkope und Beschlagnahme.
  6. Platzieren Sie das Motiv Tracker auf den Kopf des Teilnehmers; es wird als Referenz bei der Messbezugspunkte fungieren. Berühren Bezugspunkt auf dem Kopf des Probanden mit einem Zeiger, der mit der Stereotaxie-System kommt, und speichern Sie die entsprechenden Koordinaten auf dem Computer. Kalibrieren Kopf Subjekts mit dem MRT-Bild. Prüfen Sie die Qualität der Registrierung und wiederholender Vorgang, wenn nötig.
  7. Fragen Sie die Teilnehmer, Ohrstöpsel während der Stimulation zu tragen, um den Klang der Spule Entlastung dämpfen und Schäden der Teilnehmer hören 46 zu vermeiden.
  8. Richten Sie die TMS-Maschine nach den Wahlen in Abschnitt 1 gemacht.
  9. Führen Sie die Teilnehmer auf die Stimulation vor der Prüfung, um sicherzustellen, dass der Teilnehmer mit seinem Gefühl vertraut und verträgt auch. Zunächst zeigen Stimulation auf der Forscher Arm und dann auf der Teilnehmer Arm, die Person mit dem Gefühl zu gewöhnen.
    HINWEIS: Dies ist besonders wichtig für die Teilnehmer, die erleben TMS für die erste Zeit.
  10. Zeigen die Stimulationsprotokoll auf jedem der Testzentren als die Temperatur an verschiedenen Stellen verschieden sein. Platzieren der Spule auf der ersten Seite, wie durch die rahmenlose Stereotaxie-System identifiziert, so dass die Spule tangential zur Kopfhaut und der Linie der maximalen Magnetfluss schneidet stimulated Ort.
    HINWEIS: Stimulation wirkt manchmal Gesichtsnerven oder in der Muskulatur und kann zu Beschwerden führen, so ist es wichtig zu prüfen, ob der Teilnehmer verträgt es gut.

3. Führen Funktions Lokalisierung

  1. Optimieren Sie die Stimulationsstelle, indem Sie es auf jeden Teilnehmer. Markieren Sie mehrere potenzielle Stimulationsorte im Gehirn Bereich von Interesse auf Strukturbild des Teilnehmers. Suchen Sie Ziele mindestens 10 mm voneinander angesichts der räumlichen Auflösung von TMS 47 mit einem Gitter oder anatomische Markierung (Abbildung 1).
  2. Wählen Sie einen Localizer Aufgabe, die in die kognitive Funktion von Interesse Armaturen und hat eine messbare Verhalten (z. B. Reaktionszeiten, Genauigkeit, Augenbewegungen). Wiederholen Sie die Aufgabe mehrmals bei der Prüfung von möglichen Standorten und erstellen Sie verschiedene Versionen der Aufgabe, die ständige Wiederholung der Reize zu vermeiden.
  3. Lassen Sie die Teilnehmer die Aufgabe, ohne zu übenStimulation, bis sie gut vertraut sind. Dann die Einführung einer zweiten Training mit TMS zufällig (oder pseudo-zufällig) auf 50% der Studien präsentiert, so dass der Teilnehmer wird auf die Durchführung der Aufgabe, ohne durch Stimulation abgelenkt verwendet.
  4. Wählen Sie eine Prüfung vor Ort und führen Sie eine Version des Localizer-Aufgabe. Unmittelbar danach die Ergebnisse überprüfen, um zu sehen, ob Stimulation beeinflusst Leistung.
    HINWEIS: In vielen Fällen Stimulierung einer "falschen" Website tatsächlich erleichtern Antworten in Bezug auf kein Stimulation durch inter-sensorischen Erleichterung 2, in diesem Fall aufgrund der Anhörung der Klicks und das Gefühl, das Gefühl der Stimulation in der Kopfhaut. Darüber hinaus sind große Effekte der Stimulation (dh mehr als 100 ms) und erfordern oft artifactual erneutem Testen. Wenn sie replizieren und sind für eine besonders Website testen, dann können sie echte Auswirkungen. Seien Sie sicher, ein robustes Maß einer TMS-Effekt wählen zuversichtlich in localiz zu seination.
  5. Wenn kein Effekt beobachtet wird, wählen Sie ein neues Testgelände und wiederholen, da sonst der gleichen Stelle wieder zu testen, um festzustellen, ob es repliziert. Testen Sie mehrere Websites, Back-to-back in der gleichen Sitzung, um sicherzustellen, dass sie nicht alle eine Wirkung erzeugen, da dies eine nicht-spezifische TMS Wirkung zeigen. Gegengewicht der Bestellung, dass Websites werden über die Teilnehmer angeregt.

4. Hauptaufgabe

  1. Nach Lokalisierung und in der gleichen Sitzung, führen Sie das Hauptexperiment mit der Ziel-Site, die funktionell lokalisiert wurde.
    Hinweis: das wird eine andere Aufgabe, die dem in der Lokalisierung verwendet, sondern eine, die die Schlüsselprozess von Interesse Aktien beinhalten. Zum Beispiel kann ein Reim Urteil Aufgabe für die Lokalisierung eine Fläche empfindlich auf die Verarbeitung der Klänge von Worten, während eine homophone Urteil Aufgabe könnte für den Hauptversuch verwendet werden verwendet werden. In diesem Beispiel sind beide Aufgaben erfordern phonologischen Verarbeitung von geschriebenen Worten, obwohl die spezifischen Aufgabenanforderungen und stimuli abweichen.
  2. Es werden ausreichend Kontrollbedingungen, um auszuschließen, nicht-spezifische Effekte der TMS.
  3. Testen Sie die gleiche Stelle auf einer Steuerungsaufgabe, die keine den Prozess von Interesse für funktionelle Spezifität bei der Verarbeitung zu demonstrieren.
  4. Testen Sie einen anderen Standort auf der Hauptaufgabe, anatomische Besonderheit der Wirkung zu demonstrieren.
  5. Fügen Sie zusätzliche Steuerbedingungen wie Schein-TMS, Steuer Reize oder mehreren Zeitfenstern.
  6. Durchführung einer traditionellen "virtuelle Läsion" Experiment unter Verwendung derselben während der Lokalisierung verwendet TMS Parameter (z. B. Intensität, Frequenz und Dauer der Stimulation). Für chronometrische TMS Experiment verwenden die gleiche Intensität, sondern ersetzen den Zug von Impulsen während der Lokalisierung entweder durch einen einzigen 48 oder 49 Doppelpuls bei verschiedenen Latenzen Beginn geliefert verwendet.

Representative Results

Figur 2 zeigt die Ergebnisse von zwei als Beispiele genannt TMS Experimenten. Nämlich die erste untersucht, ob die linke SMG ist bei der Verarbeitung der Klänge von Worten, während der zweite untersucht die zeitliche Dynamik dieser Beteiligung ursächlich beteiligt. 2A zeigt repräsentative Ergebnisse des ersten Experiments wo rTMS (10 Hz, 5 Impulse 55% maximale Intensität) wurde während drei Aufgaben auf die SMG ausgeliefert. Die phonologische Aufgabe die Aufmerksamkeit auf die Geräusche der Wörter ("Haben diese beiden Worte gleich klingen? Weiß-Nase"), während die semantische Aufgabe auf ihre Bedeutung konzentriert ("Haben diese beiden Worte bedeuten das Gleiche? Idee-Konzept"). Eine dritte Steuerungsaufgabe vorgestellt Paare von Konsonantenbuchstabenfolgen und fragte, ob sie identisch sind ("wsrft-wsrft"). Jede Aufgabe bestand aus 100 Studien. Die Ergebnisse zeigten, dass TMS RTs relativ deutlich auf keinem stimulation in der phonologischen Aufgabe von durchschnittlich 37 ms. Im Gegensatz dazu hatte SMG Stimulation keine signifikante Wirkung auf das RTS in der semantischen oder orthographischen Regelaufgaben. Mit anderen Worten, eine "virtuelle Läsion" des linken SMG selektiv störte Verarbeitung der Klänge von Worten, was die Notwendigkeit der Verarbeitung der SMG phonologischen Aspekte geschriebene Worte 44.

2B zeigt repräsentative Ergebnisse der chronometrischen Experiment erforschen den zeitlichen Verlauf der phonologischen Verarbeitung innerhalb SMG. Hier Doppelpuls TMS wurde an fünf verschiedenen Zeitfenstern nach Reizbeginn im gleichen phonologischen Aufgabe mit 100 Studien in fünf gleiche Blöcke unterteilt, die jeweils Testen verschiedener Zeitfenster geliefert. Im Vergleich zu dem Ausgangszustand (40/80 ms), wurde eine signifikante Erhöhung der RTs wurde beobachtet, wenn TMS 80/120, 120/160 der und 160/200 ms nach dem Beginn des Reizes geliefert. Diese Ergebnisse zeigten, SMG war engaged in der phonologischen Verarbeitung zwischen 80 und 200 ms nach Reizbeginn, was sowohl frühe und anhaltende Engagement in der phonologischen Verarbeitung 44.

Figur 1
Abbildung 1. Zwei gängige Methoden der Kennzeichnung Potenzial Stimulationsorte. (A) Ein erstes Verfahren geht darum, ein Netz von über einem Marker-Hand Motorbereich und Testen jeder TMS produziert, bis die erwartete Wirkung. Diese Vorgehensweise ist üblich, zur Identifizierung eines Motor "Hot Spot" - das heißt, der Ort, wo die stärkste Stimulation produziert, zuverlässigsten Muskelkontraktion (B) Eine zweite Methode gilt zusätzliche anatomische Zwänge, indem eine Reihe von Markern in einem gut definiert. Gehirnregion. In diesem Beispiel wird die Position der drei Marker auf den vorderen Bereich der SMG beschränkt. Die erste ist zu findend überlegen Beendigung des hinteren aufsteigenden Sylvian Fissur; die zweite ist am ventralen Ende des vorderen SMG; und die dritte ist etwa in der Mitte zwischen den beiden anderen Seiten. Stimulation Marker auf einem parasagittale Ebene eines einzelnen MRT-Untersuchung mit rahmenlosen Stereotaxie-System gezeigt. Der schwarze Balken in der linken unteren Ecke einen Abstand von 1 cm.

Figur 2
2. Reaktionszeiten (RT) vom Einsetzen des Reizes. (A) noTMS (helle Balken) und TMS (dunkle Balken) Bedingungen in drei verschiedenen Sprachaufgaben. (B) Fünf Stimulation Zeitbedingungen in der phonologischen Aufgabe. In dem hier vorgestellten Beispiel wurden Doppelpulse entweder 40/80 ms, 80/120 ms, 120/160 ms, 160/200 ms und 200/240 ms nach Reizbeginn ausgeliefert. The erste Zeitfenster, 40/80 ms, wurde als Grundlinie Kontrollbedingung verwendet, da visuelle Informationen nicht erwartet, dass bei der SMG, die schnell ankommen. Fehlerbalken stellen den Standardfehler des Mittelwerts angepasst, um intraindividuelle Varianz 50 korrekt widerspiegeln. Das erste Experiment enthält Daten vom Teilnehmer 12 und dem zweiten Teilnehmer 32 aus. * P <0,05.

Discussion

Dieser Artikel stellt ein Protokoll für die Beurteilung der kausale und zeitliche Engagement von Hirnregionen in der kognitiven Prozesse mit Online-TMS. Diese Diskussion unterstreicht die kritischen ersten Schritte für die Schaffung einer erfolgreichen TMS-Protokoll und dann die Einschränkungen, die berücksichtigt bei der Gestaltung einer TMS-Experiment werden müssen.

Da TMS Protokolle haben eine große Anzahl von freien Parametern, die Gewährleistung der optimalen Stimulationsparameter ist ein kritischer Schritt bei der Herstellung eines TMS-Experiment. Normalerweise wird diese durch umfangreiche Pilotversuche, um die Stimulationsfrequenz, Dauer, Intensität, inter-Testintervall und Spulenorientierung notwendig, um festzustellen, robust Wirkungen erzielt. Um eine effektive "virtuellen Läsion" zu schaffen muss die Frequenz eine robuste Wirkung, die ein ausreichend großes Zeitfenster, um den kognitiven Prozess von Interesse umfassen deckt induzieren. Als Ergebnis sowohl Häufigkeit und Dauer variieren zwischen den Studien. Auch die & #8220; rechts "Stimulationsintensität ist eine, die das Magnetfeld beeinflusst neuronalen Verarbeitung in der Ziel-Region des Gehirns und hier der Hauptfaktor ist, der Abstand von der Spule zu der Stimulationsstelle 51 gewährleistet. Viele Studien identifizieren die Intensität der Stimulation notwendig, eine motorische Reaktion zu erzeugen, wenn die Förderung des Handbereich der primären motorischen Kortex und nutzen diese, um Intensität über Teilnehmer 52,53-55 normalisieren. Diese Maßnahme ist jedoch kein verlässlicher Index der optimale Intensität für nicht-motorische Bereiche 42,51,56. Eine weitere Möglichkeit ist die gleiche Intensität für alle Teilnehmer verwenden. Die gewählte Intensität sollten wirksam in allen Pilot Untertanen nach dem Experimentieren mit verschiedenen Stimulationsintensität. Darüber hinaus ist die Spule Orientierung ein wichtiger Parameter, die Betrachtung erfordert. Die spezifische Spulenorientierung betrifft die Verteilung des induzierten elektrischen Feldes innerhalb der stimulierten Neuronenpopulation und daher beeinflussen VerhalVior. Im Allgemeinen kann veröffentlichten Protokollen, die einen Ausgangspunkt iterativ während der Pilotversuche geändert wird, um die spezifischen Experiment angepasst werden. Oft aber Informationen zu diesem Pilotversuch wird von der endgültigen Manuskript, das den unglücklichen Effekt versteckt einige der wichtigsten Aspekte des Protokolls Design-Prozess hat weggelassen.

Auswahl eines Lokalisierungsverfahrens ist auch wichtig, um sicherzustellen, daß die Stimulation der optimalen Stelle verabreicht. Obwohl viele Studien erfolgreich lokalisiert Stimulationsorte mit Anatomie-basierte Methoden, die eine einzelne Lage gegenüber einzelnen Teilnehmern 57,58 Ziel, die Anpassung der Stimulationsstelle für jedes Thema reduziert individuell zwischen Subjekt-Varianz in der Verhaltens Ergebnisse wodurch eine effizientere Methode 31. Hier haben wir eine TMS-basierte funktionelle Lokalisation Verfahren, die über fMRI-basierte Lokalisierungs Vorteile bietet. Insbesondere vermeidet es das Problem der unterschiedlichen räumlichen Vorspannungen werdenzwischen fMRI (dh drainierenden Venen 59) und TMS (dh die Orientierung der Axone innerhalb des Magnetfeldes von 6,60), die in der gleichen Nervenreaktion an unterschiedlichen Stellen lokalisiert führen kann. Darüber hinaus ist es gut bekannt, daß die spezifische Lage der Aktivierung "Spitzen" in fMRI kann erheblich variieren, so dass sie suboptimal TMS zielt 55,61. Auch so eine Vielzahl von verschiedenen Lokalisierungsverfahren sind nachweislich wirksam, so dass die spezifische Wahl ist weniger wichtig, dass sichergestellt wird, dass je nachdem, welche Methode verwendet wird, bietet eine zuverlässige, reproduzierbare Effekte.

Obwohl die Versuchsdaten hier vorgestellten Reaktionszeiten als abhängige Maß verwendet wird, gibt es viele andere Optionen zur Verfügung. Zum Beispiel, einige Studien verwenden Richtigkeit statt 9,12,62. In diesen Fällen ist die normale Leistung ohne TMS bereits unter Deckenspiegel, so dass die Wirkung durch Stimulation induziert wird, in den Genauigkeitsraten widerspiegelt.Andere Studien haben die Effekte der Stimulation auf die Augenbewegungen 63,64 gemessen. Die meisten kognitiven Neurowissenschaften Experimente mit TMS verwenden jedoch Reaktionszeiten als abhängige Maß 13,48,65,66. Typischerweise werden die Effekte in der Größenordnung von mehreren zehn ms oder ungefähr einer 10% igen Änderung der Reaktionszeit 67. Was auch immer abhängig Maßnahme verwendet wird, sollte robust und konsistent sein, so dass relativ kleine Änderungen können leicht beobachtet werden.

Wie jede experimentelle Technik hat TMS wichtige Einschränkungen, die zu beachten bei der Auswahl dieser Methodik werden müssen. Die häufigsten sind: i) die räumliche Auflösung der TMS, ii) die nicht-spezifische Effekte, die mit Stimulation und iii) Sicherheitsaspekte der Methodik. Erstens hat TMS eine begrenzte Tiefenstimulation, da das Magnetfeld der Intensität verringert, je weiter es sich von der Spule. Folglich ist es zur Stimulierung Hirnregionen in der Nähe der Kopfhaut am effektivsten (~ 2 - 3 cm) 68,69 69 erreichen. TMS hat auch eine räumliche Auflösung von etwa 0,5 bis 1 cm 47,70-72. Somit kann das Verfahren nicht verwendet werden, um die funktionalen Beiträge aus feinkörnigem räumliche Strukturen wie kortikalen Säulen untersuchen.

Eine zweite Einschränkung ist, dass der TMS-Stimulation führt gleichzeitige sensorische Nebenwirkungen als Folge des sich schnell ändernden Magnetfeldes. Vor allem ist jeder Magnetimpuls durch eine auditive Klick und einer Zapf Gefühl begleitet. Daher kann TMS ungeeignet für bestimmte auditiven oder somatosensorischen Experimenten, bei denen diese Nebenwirkungen können mit Aufgabenleistung stören. Man beachte jedoch, dass Online-TMS wurde erfolgreich in einigen Hörversuchen 73,74 verwendet 75,76. Da diese Website Unterschiede experimentellen verwechselt zu induzieren, ist es wichtig, entweder eine Kontrollstelle mit ähnlichen Nebenwirkungen auf die Hauptseite wie kontralateralen Homologen 77 verwenden oder Kontrollbedingungen / Aufgaben, die nicht in den Prozess der Zins 24,62 Sie tippen , 73,78,79.

Schließlich, Sicherheitsüberlegungen müssen immer berücksichtigen bei der Gestaltung TMS Experimente wie kann es möglicherweise zu induzieren Synkopen und Krampfanfälle 27 genommen werden. Um dieses Risiko zu minimieren, international anerkannten Leitlinien zur Stimulation Intensität, Häufigkeit und Dauer exists, als auch für die Gesamtzahl der Impulse, den Inter-trial Abständen 27,28. Protokolle, die diesen Bedingungen bleiben wird angenommen, dass sicher für neurologisch normalen Teilnehmer zu sein. Es ist erwähnenswert, aber, dass diese noch unvollständig sind und dass oft neue TMS-Protokolle eingeführt, die sich auch als sicher. Im Allgemeinen ist die Hinweise darauf, dass, wenn veröffentlichte Richtlinien befolgt werden, ist TMS ein sicheres Verfahren ohne gefährliche Nebenwirkungen. Eine Folge dieser Grenzen, ist jedoch, dass Verhaltensprotokolle häufig angepasst werden müssen, bevor sie mit TMS verwendet werden. Dies hat Auswirkungen auf mehrere Aspekte der Konstruktion, einschließlich der Dauer des Experiments, die Anzahl der Versuche, die Anzahl von Zuständen und Stimulationsstellen, die getestet werden können. Einige dieser Einschränkungen kann durch Aufteilung der Versuch in getrennten Sitzungen, wie das Testen verschiedener Stimulationsorte an verschiedenen Tagen überwunden werden. In diesen Fällen ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Lokalisierungsund Testen einer Seite innerhalb der gleichen Sitzung durchgeführt. Dies minimiert experimentelle Varianz durch Maximieren der Genauigkeit der Ausrichtung. Bei der Entscheidung, ob ein oder mehrere Testsitzung verwenden, ist die grundlegende Einschränkung die Sicherheit der Teilnehmer - insbesondere die Höhe der Stimulation, die sicher in einer einzigen Sitzung ist. Die Gesamt Stimulation beinhaltet die Einführung, Praxis, Lokalisierung (bei Verwendung von TMS) und der Prüfung, möglicherweise über mehrere Websites und hängt maßgeblich von der Anzahl der Versuche pro Zustand. Wo diese Zahl die Leitlinien für eine einzelne Session überschreitet, ist es notwendig, das Experiment in mehreren Sitzungen zu brechen, durchgeführt, ein Minimum von 24 Stunden auseinander. Es gibt keine Hard-und-schnell Regeln für die Mindestanzahl von TMS-Studien für Experimente notwendig, aber wie jedes Experiment, können diese mit Standard-Leistungsberechnungen auf der Basis der Effektgröße, Varianz, α-Ebene (in der Regel 0,05) berechnet und erwünscht Empfindlichkeit. Oft vernünftigen Schätzungen desder Effekt Größe und Varianz sind als Ergebnis der umfangreichen Pilottests durchgeführt, um das Versuchsprotokoll optimieren erhältlich.

Zusammenfassend TMS ist zu einem wichtigen Werkzeug mit breiten Anwendungen kognitiven Neurowissenschaften. Dieser Artikel enthält eine Basisprotokoll für Online-TMS in Verbindung mit einer Verhaltensaufgabe zur Untersuchung von Gehirn-kausalen Verhaltens Beziehungen sowohl im "virtuellen Läsion"-Modus und auch eine Zeitmesswerkzeug für die Erkundung der zeitlichen Dynamik von regional-spezifischen neuronalen Informationsverarbeitung.

Disclosures

Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen konkurrieren.

Acknowledgments

Die Autoren haben keine Bestätigungen.

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

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Sliwinska, M. W., Vitello, S.,… 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).

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