Login processing...

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

Behavior

Transcranial magnetisk stimulation til Undersøgelse Causal Brain-adfærdsmæssige relationer og deres Time Course

doi: 10.3791/51735 Published: July 18, 2014

Summary

Transkraniel magnetisk stimulation (TMS) er en teknik til non-invasivt forstyrre neurale informationsbehandling og måle dens effekt på adfærd. Når TMS interfererer med en opgave, betyder det, at den stimulerede område af hjernen er nødvendig for normal opgavevaretagelse, tillader en systematisk forholde områder af hjernen til kognitive funktioner.

Abstract

Transkraniel magnetisk stimulation (TMS) er en sikker, non-invasiv brain stimulation teknik, der bruger en stærk elektromagnet for midlertidigt at afbryde informationsbehandling i et område af hjernen, der genererer en kortvarig "virtuel læsion." Stimulation, der interfererer med opgaveløsningen angiver at den ramte område af hjernen er nødvendig for at udføre opgaven normalt. Med andre ord, i modsætning til billeddannende fremgangsmåder, såsom funktionel magnetisk resonans billeddannelse (fMRI), der indikerer korrelationer mellem hjernen og adfærd, TMS kan anvendes til at påvise kausale hjerne-adfærd forbindelser. Endvidere, ved at variere varigheden og påbegyndelsen af ​​den virtuelle læsion, TMS kan også afsløre tidsforløbet af normal bearbejdning. Som et resultat, har TMS blevet et vigtigt redskab i kognitiv neurovidenskab. Fordele ved teknik igen studier læsion underskud omfatter bedre fysisk-temporale præcision af afbrydelsen effekt, evnen til at bruge deltagerne som deres egen control fag, og tilgængeligheden af ​​deltagere. Begrænsninger omfatter samtidige auditive og somatosensoriske stimulation, der kan påvirke opgaveløsningen, begrænset adgang til strukturer mere end et par centimeter fra overfladen af ​​hovedbunden, og den relativt store rum af frie parametre, der skal optimeres, for at eksperimentet til at arbejde. Eksperimentelle design, der nøje overveje passende kontrolforanstaltninger betingelser bidrage til at løse disse problemer. Denne artikel illustrerer disse spørgsmål med TMS resultater, der undersøger de rumlige og tidslige bidrag venstre supramarginal gyrus (SMG) til at læse.

Introduction

Transkraniel magnetisk stimulation (TMS) er en sikker og ikke-invasiv værktøj, der anvendes til brain stimulation. Det bruger et hastigt skiftende elektrisk strøm inden for en ledende spole til at generere et stærkt, men relativt focal, magnetfelt. Når de anvendes til hovedbunden, det magnetiske felt inducerer elektriske aktivitet i den underliggende hjernevæv midlertidigt forstyrre lokale kortikale informationsbehandling. Denne forbigående indblanding effektivt skaber en kortvarig "virtuel læsion" 1,2. Denne teknik giver en ikke-invasiv metode til at trække kausale hjerne-adfærd følgeslutninger og undersøge den tidsmæssige dynamik online neurale informationsbehandling i både raske voksne og neurologiske patienter.

Ved selektivt at interferere med regionalt specifikke kortikale behandling, kan TMS bruges til at tegne årsagssammenhængene mellem hjernen regioner og specifikke adfærd 3,4. Det er, hvis stimulere en kortikale område væsentligtpåvirker opgaveløsningen i forhold til passende kontrolordninger betingelser, indikerer dette, at stimulerede område er nødvendig for at udføre opgaven normalt. Kausale slutninger af denne art er en af ​​de store fordele ved TMS flere Neuroimaging metoder såsom funktionel magnetisk resonans billeddannelse (fMRI) eller positronemissionstomografi (PET). I modsætning Neuroimaging teknikker, der måler neurale aktivitet og korrelerer det med adfærd, TMS giver mulighed for at forurolige neurale informationsbehandling og måle dens virkninger på adfærd. I denne forstand er det mere som traditionel læsion-underskud analyser hos patienter med hjerneskade, bortset fra at TMS er non-invasiv og virkningerne er midlertidige og reversible. TMS har også flere fordele i forhold læsioner studier. For eksempel virkningerne af stimulering er generelt mere rumligt præcis end naturligt forekommende læsioner, som ofte er store og er meget forskellige patienter. Derudover kan deltagerne blive brugt som deres egne kontroller, thereby undgå udstedelse af potentielle forskelle i præ-morbide evner mellem patienter og kontroller. Endelig er der ikke tilstrækkelig tid til funktionel reorganisering at finde sted i løbet af TMS, hvilket betyder, at recovery-processer er usandsynligt, at forvirre de resultater 5. Med andre ord, TMS tilbyder et kraftfuldt værktøj til at undersøge kausale hjerne-adfærd relationer, der supplerer korrelationsmaalinger teknikker såsom funktionel Neuroimaging.

TMS kan også anvendes til at undersøge tidsforløbet af neurale informationsbehandling ved brug af meget korte byger af stimulering og varierende indtræden af stimulering 6. Typisk indebærer enten en enkelt eller dobbelt puls TMS leveres til en region på forskellige tidspunkter inden for en retssag. Fordi effekten af en enkelt TMS puls sker umiddelbart og varer et sted mellem 5 og 40 msec 7-10, dette gør det muligt for forskeren at kortlægge de tidsmæssige dynamik i den regionale neuronal aktivitet, herunder dens onset, varighed og offset 11,12. Varigheden af ​​denne afbrydelse begrænser den tidsmæssige opløsning af teknikken til 10'erne af millisekunder, omtrent en størrelsesorden grovere end electroencefalografi (EEG) og magnetoencephalography (MEG). På den anden side, de tider observeret i kronometriske TMS undersøgelser har en tendens til at matche dem fra invasive neurofysiologiske optagelser bedre end EEG og MEG 9,13. Formentlig er det fordi EEG og MEG måle storstilet neuronal synkront, der halter bagefter den tidligste udbrud af aktivitet 14. Hertil kommer, ligesom fMRI og PET, EEG og MEG er korrelationsmaalinger mål for hele hjernens aktivitet mens kronometriske TMS ikke kun kan give vigtige oplysninger om de regionale tidsmæssige dynamik, men også om nødvendigheden af ​​regionen for en given adfærd.

Selvom TMS oprindeligt blev udviklet til at undersøge fysiologi motoriske system 15, blev det hurtigt vedtaget som et værdifuldt værktøj til cognitive neurovidenskab. En af dens tidligste anvendelser som en "virtuel læsion" teknik var at fremkalde talehæmning ved at stimulere venstre ringere frontale cortex 16-18. Resultaterne bekræftede vigtigheden af Brocas område til tale produktion og foreslog et potentielt alternativ til Wada test for at bestemme sproget dominans efter neurokirurgiske indgreb 16,19. Nu TMS anvendes i stort set alle områder af kognitiv neurovidenskab, herunder opmærksomhed 20 hukommelse 21, visuel bearbejdning 22, action planlægning 23 beslutningstagning 24 og sprogbehandling 25. Typisk TMS inducerer enten øgede fejlprocenter eller langsommere reaktionstider (RTS), som begge er taget som indikatorer for årsagssammenhænge mellem hjerne og adfærd 3,4. Nogle undersøgelser bruger TMS i både sin virtuelle læsion tilstand og som et kronometriske værktøj. For eksempel Pitcher og kolleger første 11 viste, at gentagne TMS(RTMS) leveret til occipital ansigtet området forstyrret præcis facial diskrimination og derefter bruges kronometriske TMS at fastslå, at denne effekt kun var til stede, da TMS blev leveret ved 60 og 100 millisekunder, hvilket viser, at denne særlige område af hjernen bearbejder ansigt-del oplysninger på et tidligt fase af ansigtsgenkendelse. I alle de her nævnte eksempler er TMS administreres "on-line", der er i løbet af opgaveløsningen, således at virkningen af TMS er øjeblikkelig og kortvarig (dvs. effekterne vare så længe som varigheden af stimulation). Dette står i kontrast med "off-line" TMS som involverer enten lange kørsler af lavfrekvent stimulation 21 eller korte byger af mønstret stimulation 26, før du starter en opgave. I off-line TMS effekterne sidste langt ud over varigheden af ​​TMS selve ansøgningen. Denne artikel fokuserer udelukkende på "on-line"-tilgang.

De første skridt i udarbejdelsen af ​​eventuelle TMS eXperiment omfatter identificere en stimulation protokol og vælge en lokalisering metode. Stimulation parametre omfatter intensitet, hyppighed og varighed af TMS og er begrænset af internationalt definerede sikkerhedskrav 27,28. Hver TMS eksperiment kræver også en passende lokalisering procedure for positionering og orientere spolen nøjagtigt over stimulation site. Lokalisering kan være baseret på standard plads koordinater 29 eller 10 - 20 lokalisering-system 30, men typisk er skræddersyet til hver enkelt deltager 31. For sidstnævnte er der mange muligheder, der omfatter målrettet stimulation baseret på den enkeltes anatomi 32, funktionelt lokalisering bruge fMRI 33 eller funktionelt lokalisere hjælp TMS 34. Protokollen præsenteres her fortaler funktionel lokalisering med TMS som en del af en generel protokol for on-line TMS eksperimenter. Så et illustrativt eksempel præsenteres hvordan TMS kan anvendesat undersøge de funktionelle bidrag venstre supramarginal gyrus (SMG) til fonologisk forarbejdning i læsning.

Protocol

Denne protokol blev godkendt af UCL Ethics Review Board (nr. 249/001) for non-invasiv brain stimulation af neurologisk normale frivillige forsøgspersoner.

1.. Opret TMS-protokollen

Næsten alle TMS eksperimenter i kognitiv neurovidenskab bruge tofaset stimulering i forbindelse med en tal-til-otte formet spole. Dette giver mulighed for at levere hurtige tog af impulser (> 1 Hz) og målrette en kortikal websted så præcist som muligt. Det er muligt at anvende mono-fasisk stimulation 35 eller en anden spole figur 36, men her standard konfiguration blev anvendt.

  1. Vælg en frekvens og varighed af stimulation.
    BEMÆRK: En fælles valg i kognitiv neurovidenskab er at bruge 10 Hz stimulation til 500 msek fra starten af stimulus 37-40.
  2. Vælg et niveau af intensitet baseret på omfattende pilot test. Hold den konstant tværs deltagere.
    BEMÆRK: For udstyr used her almindeligt anvendte intensiteter varierer mellem 50 - 70% af den maksimale stimulator output 11,41-44.
  3. Vælg en inter-retssagen interval. For både praktiske og sikkerhedsmæssige årsager, skal du adskille stimulation forsøg med et minimum af 3 - 5 sek 27,45.

2.. Udfør hoved Registrering

  1. Erhverve en høj opløsning, T1-vægtet anatomiske magnetisk resonans (MR) scanning for hver deltager på en separat session forud for TMS. Omfatter de referencemærker punkter i billedet, der skal anvendes i trin 2.3.
  2. Indlæs scanne ind i rammeløse stereotaxy system inden TMS session for at muliggøre nøjagtig målretning af stimulation lokaliteter i hver deltager. Markér stimulering steder på hovedet i begyndelsen af ​​eksperimentet eller overvåger kontinuerligt under hele forsøget.
  3. Mark fire referencemærker punkter på deltagerens image. Typisk omfatter disse spidsen af ​​næsen, næseryggen, og ikkech over tragus af hvert øre.
  4. Give deltageren oplysninger om TMS i orden for dem at give informeret samtykke til at deltage i forsøget.
  5. Spørg deltageren til at fuldføre en TMS Safety Screen form, der er blevet godkendt af Institutional Review Board.
    BEMÆRK: De Faste modsætninger til TMS omfatter en personlig eller familiær historie af epilepsi, en klinisk historie af neurologiske eller psykiatriske problemer, eller implanteret medicinsk udstyr, såsom en pacemaker eller cochlear implantater. Ikke efter TMS sikkerhedskrav potentielt kan fremkalde besvimelse og beslaglæggelse.
  6. Placer emnet tracker på deltagerens hoved; Det vil fungere som en reference, når man måler referencemærker punkter. Tryk hver fiducial punkt om emnet hoved med en pegepind, der kommer med stereotaxy systemet og gemme de tilsvarende koordinater på computeren. Kalibrer emne hoved med MRI billedet. Kontroller kvaliteten af ​​registrering og gentagprocessen, hvis det er nødvendigt.
  7. Spørg deltageren til at bære ørepropper under stimulering at dæmpe lyden af udledningen spole og undgå skader på deltagernes hørelse 46..
  8. Opstil TMS maskinen i henhold til de valg, i afsnit 1.
  9. Indføre deltageren til stimulation før testning for at sikre, at deltageren er bekendt med sin fornemmelse og tåler godt. Først demonstrere stimulation på forskerens arm og derefter på deltagerens arm for at akklimatisere den person med den fornemmelse.
    BEMÆRK: Dette er især vigtigt for deltagerne, der oplever TMS for første gang.
  10. Demonstrere stimulation protokol om hver af de test sites som sensation kan være forskellig på forskellige steder. Anbring spolen på det første websted, som identificeret af den rammeløse stereotaxy systemet sådan, at spolen tangerer hovedbunden og rækken af ​​maksimal magnetisk flux skærer stimulated site.
    BEMÆRK: Stimulation undertiden påvirker ansigtets nerver eller muskler, og kan føre til ubehag, så det er vigtigt at teste, om deltageren tolererer det godt.

3.. Udfør Funktionel Lokalisering

  1. Optimer stimulation webstedet ved at tilpasse den til hver deltager. Markere flere potentielle stimulation steder i hjernen region af interesse på deltagerens strukturelle image. Find mål på mindst 10mm fra hinanden givet rumlig opløsning på TMS 47 ved hjælp af et gitter eller anatomisk mærkning (figur 1).
  2. Vælg et localizer opgave, der vandhaner i kognitive funktion af interesse og har en målbar adfærd (f.eks reaktionstider, nøjagtighed, øjen-bevægelser). Gentag opgaven flere gange, når du tester de brancher og oprette forskellige versioner af opgaven for at undgå gentagelse af de stimuli.
  3. Lad deltageren til at praktisere opgave udenstimulation, indtil de er komfortable med det. Så indføre en anden praksis session med TMS tilfældigt (eller pseudo-tilfældigt) fremlagde på 50% af forsøgene, således at deltageren bliver brugt til at udføre opgaven uden at blive distraheret af stimulation.
  4. Vælg et teststed og køre en version af localizer opgaven. Umiddelbart derefter kontrollere resultaterne at se, om stimulation påvirket ydeevne.
    BEMÆRK: I mange tilfælde vil stimulere en "forkert" site faktisk svarene i forhold til ingen stimulation på grund af inter-sensorisk lettelse 2, i dette tilfælde på grund af at høre de klik og føle fornemmelsen af stimulation i hovedbunden. Desuden store effekter af stimulation (dvs. over 100 ms) er ofte kunstig og kræver re-test. Hvis de replikere og er specifikke for en særlig afprøvning site, så de kan være ægte effekter. Vær sikker på at vælge en robust mål for en TMS effekt at være sikker på localization.
  5. Hvis der ikke observeres nogen virkning, vælge en ny test websted og gentag, ellers teste det samme sted igen for at afgøre, om den gentager. Test flere sites back-to-back i samme session for at sikre, at de ikke alle producerer en effekt, da dette ville indikere en ikke-specifik TMS effekt. Opveje den rækkefølge, sites stimuleres tværs deltagere.

4.. Main Task

  1. Efter lokalisering og i samme session, køre hovedforsøget ved hjælp af målområdet, der var funktionelt lokaliseret.
    BEMÆRK: Dette vil indebære en anden opgave til den, der anvendes i lokalisering, men en, der deler den centrale proces af interesse. For eksempel kan et rim dom opgave anvendes til at lokalisere et område følsom over for behandling af lyde af ord, mens en homofon dom opgave kan anvendes til de vigtigste forsøg. I dette eksempel begge opgaver kræver fonologisk bearbejdning af skrevne ord, selv om den konkrete opgave krav og stili forskellige.
  2. Omfatte tilstrækkelige kontrol betingelser for at udelukke ikke-specifikke effekter af TMS.
  3. Test det samme sted på en kontrol opgave, der ikke omfatter processen med interesse for at demonstrere funktionel specificitet i forarbejdning.
  4. Test et andet sted på den vigtigste opgave at demonstrere anatomisk specificitet af effekten.
  5. Medtag yderligere kontrolforanstaltninger betingelser såsom simuleret TMS, kontrol stimuli eller flere tidsvinduer.
  6. Gennemføre en traditionel "virtuel læsion" eksperiment ved hjælp af de samme TMS parametre, der anvendes i løbet af lokalisering (f.eks intensitet, frekvens og varighed af stimulation). For kronometriske TMS eksperiment, bruge den samme intensitet, men erstatte tog af impulser, der anvendes under lokalisering af enten en enkelt 48 eller dobbelt puls 49 leveret på forskellige debut ventetid.

Representative Results

Figur 2 illustrerer resultaterne af to TMS eksperimenter er nævnt som eksempler. Nemlig det første undersøgt, om den venstre SMG er kausalt involveret i behandlingen lyden af ordene, mens den anden undersøgte den tidsmæssige dynamik i dette engagement. Figur 2A viser repræsentative resultaterne af det første eksperiment, hvor rTMS (10 Hz, 5 impulser, 55% af maksimal intensitet) blev leveret til SMG i løbet af tre opgaver. Den fonologiske opgave fokuseret på lyden af ord ("Lad disse to ord lyder ens? Kender-næse"), mens den semantiske opgave fokuseret på deres betydning ("Er disse to ord betyder det samme? Idé-begreb"). En tredje kontrol opgave præsenterede par af konsonant brev strygere og spurgte, om de var identiske ("wsrft-wsrft"). Hver opgave bestod af 100 forsøg. Resultaterne viste, at TMS øget RT'er relativ væsentligt ingen stimulation i den fonologiske opgave med et gennemsnit på 37 msek. I modsætning hertil SMG stimulation havde ingen signifikant effekt på RTS i semantiske eller ortografiske styringsopgaver. Med andre ord et "virtuelt læsion" i venstre SMG selektivt indgreb med behandling af lyde af ord, der angiver nødvendigheden af SMG i behandlingen fonologiske aspekter af skrevne ord 44.

Figur 2B viser repræsentative resultater af kronometriske eksperiment udforske tidsforløbet for fonologiske forarbejdning i SMG. Her blev dobbelt puls TMS leveret ved fem forskellige tidsvinduer efter stimulus debut i samme fonologiske opgave med 100 forsøg opdelt i fem lige store blokke, hver teste forskellige tidsvindue. I forhold til den hidtidige tilstand (40/80 ms), blev en signifikant stigning i RTs observeret, når TMS blev leveret 80/120, 120/160, og 160/200 ms efter udbrud af stimulus. Disse resultater viste SMG var engaged i fonologisk bearbejdning mellem 80 og 200 ms post-stimulus debut, angiver både tidligt og vedvarende engagement i fonologisk bearbejdning 44..

Figur 1
Figur 1.. To almindelige metoder til mærkning potentielle stimulation sites. (A) En første metode indebærer at placere et gitter af markører i løbet af en hånd motor område og teste hver indtil TMS producerer den forventede effekt. Denne fremgangsmåde er almindeligt til identifikation af en motor "hot spot" - som er det sted, hvor stimulering frembringer den stærkeste og mest pålidelige muskelsammentrækning (B) En anden fremgangsmåde anvender yderligere anatomiske begrænser ved at placere et sæt af markører inden for en veldefineret. område af hjernen. I dette eksempel er placeringen af ​​de tre markører begrænset til den forreste region af SMG. Den første er at finded overlegen i forhold til opsigelse af den bageste stigende Gren af ​​Sylvian revne; den anden er på den ventrale ende af den forreste SMG; og den tredje er omtrent halvvejs mellem de to andre sider. Stimulation markører vises på en parasagittal plan af et individuelt MRI scanning med rammeløse stereotaxy system. Den sorte skala bar i nederste venstre hjørne angiver en afstand på 1 cm.

Figur 2
Figur 2. Reaktionstider (RTS) fra begyndelsen af stimulus. (A) noTMS (lysrør) og TMS (mørke søjler) forhold i tre forskellige sprog opgaver. (B) Fem stimulation tidsfrister i fonologiske opgave. I det præsenteres her eksempel blev dobbelt impulser leveret på enten 40/80 msek, 80/120 ms, 120/160 ms, 160/200 ms, og 200/240 msek indlæg stimulus debut. The første tidsvindue, 40/80 ms, blev brugt som udgangspunkt kontrol tilstand fordi visuel information var ikke forventet at ankomme til SMG, der hurtigt. Fejllinjer repræsenterer standardafvigelsen af middelværdien justeres korrekt afspejler inden-emne varians 50 år. Det første eksperiment indeholder data fra 12 deltagere og den anden fra 32 deltagere. * P <0,05.

Discussion

Denne artikel præsenterer en protokol for at vurdere den kausale og tidsmæssige inddragelse af områder af hjernen i kognitive processer ved hjælp af online-TMS. Denne diskussion fremhæver først de kritiske trin for at skabe en succesfuld TMS protokol og derefter de begrænsninger, der skal overvejes, når designe en TMS eksperiment.

Fordi TMS-protokoller har et stort antal frie parametre, der sikrer de optimale stimulation parametre er et afgørende skridt i forberedelsen en TMS eksperiment. Normalt er denne opnås gennem omfattende pilot test med henblik på at bestemme stimulation frekvens, varighed, intensitet, inter-retssagen interval, og spole orientering nødvendig for at producere robuste effekter. At skabe en effektiv "virtuel læsion" frekvensen skal fremkalde en robust effekt, der dækker et tilstrækkeligt stort tidsvindue til at omfatte den kognitive proces af interesse. Som et resultat, både hyppighed og varighed varierer på tværs af studierne. Tilsvarende & #8220, højre "stimulationsintensiteten er én, der sikrer det magnetiske felt påvirker neurale forarbejdning i målet område af hjernen, og her er den vigtigste faktor er afstanden fra spolen til stimulering stedet 51. Mange undersøgelser identificere intensiteten af stimulation nødvendig for at producere en motor respons, når stimulere hånd område af primær motor cortex og bruge denne til at normalisere intensiteten tværs deltagere 52,53-55. Denne foranstaltning er imidlertid ikke en pålidelig indeks for ikke-motoriske områder 42,51,56 den optimale intensitet. En anden mulighed er at bruge den samme intensitet for alle deltagere. Den valgte intensitet bør være effektive på tværs af alle pilotprojekter fag efter at eksperimentere med en række stimulation intensiteter. Derudover spolen orientering er en vigtig parameter, der kræver overvejelse. Den specifikke spole orientering påvirker fordelingen af ​​det inducerede elektriske felt inden for den stimulerede neuronal befolkning og kan derfor påvirke adfærdsVior. I almindelighed kan offentliggjorte protokoller giver et udgangspunkt, der er iterativt modificeres under pilot test, der passer til det specifikke eksperiment. Men ofte er oplysninger om dette pilotforsøg udeladt fra den endelige manuskript, som har den uheldige virkning, at skjule nogle centrale aspekter ved protokollen designprocessen.

Vælge en lokalisering procedure er også vigtigt at sikre, at stimulering administreres til optimal site. Selvom mange undersøgelser med succes har lokaliseret stimulation websteder ved hjælp anatomi-baserede metoder, der er målrettet en enkelt placering på tværs af de enkelte deltagere 57,58, tilpasning af stimulation site for hvert emne individuelt reducerer mellem-emne varians i adfærdsmæssige giver resultater en mere effektiv metode 31. Her præsenterede vi en TMS-baserede funktionel lokalisering procedure, der giver fordele i forhold til fMRI-baserede lokalisering. Specifikt undgår problemet med forskellige rumlige bias væremellem fMRI (dvs. drænende vener 59) og TMS (dvs. orienteringen af axoner i magnetfeltet 6,60), som kan resultere i den samme neurale reaktion blive lokaliseret til forskellige steder. Desuden er det velkendt, at den specifikke placering af aktiverings "toppe" i fMRI kan variere betydeligt, hvilket gør dem optimale som TMS målrettet 55,61. Alligevel en række forskellige lokaliserings procedurer er beviseligt er effektiv, så det specifikke valg er mindre vigtigt at sikre, at uanset hvilken metode der anvendes giver pålidelige, reproducerbare virkninger.

Selvom eksperimentet data præsenteres her brugt reaktionstider som den afhængige foranstaltning, der er mange andre muligheder. For eksempel, nogle undersøgelser bruger nøjagtighed i stedet 9,12,62. I disse tilfælde er normal ydeevne uden TMS allerede under loftet niveauer, så forstyrrelser fremkaldt ved stimulation afspejles i nøjagtighed scoringer.Andre undersøgelser har målt effekten af stimulation på øjenbevægelser 63,64. Mest kognitiv neurovidenskab eksperimenter med TMS dog bruge reaktionstider som deres afhængig foranstaltning 13,48,65,66. Typisk er virkningerne på rækkefølgen af snesevis af millisekunder, eller omkring en ændring i reaktionstider 67 10%. Uanset afhængig foranstaltning anvendes, bør være robust og konsistent, således at relativt små ændringer kan let observeres.

Som enhver eksperimentel teknik, TMS har vigtige begrænsninger, der skal overvejes, når du vælger denne metode. De mest almindelige er: i) den rumlige opløsning af TMS, ii) ikke-specifikke effekter forbundet med stimulering, og iii) sikkerhedsaspekter af metoden. Først TMS har en begrænset dybde af stimulering, fordi magnetfelt reducerer i intensitet jo længere væk er det fra spolen. Derfor er det mest effektive til at stimulere hjernen regioner nær hovedbunden (~ 2 - 3 cm) 68,69 69. TMS har også en rumlig opløsning på ca 0,5-1 cm 47,70-72. Således kan fremgangsmåden ikke anvendes til at undersøge de funktionelle bidrag fra finkornet rumlige strukturer såsom corticale kolonner.

En anden begrænsning af TMS er, at stimulation introducerer samtidige sensoriske bivirkninger som følge af det hastigt skiftende magnetfelt. Mest bemærkelsesværdigt er hver magnetisk puls ledsaget af en auditiv klik og en aflytning sensation. TMS kan derfor være upassende for visse auditive eller somatosensoriske eksperimenter, hvor disse bivirkninger kan interferere med opgaveløsningen. Bemærk dog, at online TMS er blevet brugt med succes i nogle auditive eksperimenter 73,74 75,76. Fordi disse websted forskelle kan fremkalde eksperimentelle forvirrer, er det vigtigt at bruge enten et kontrolstedet med lignende bivirkninger til de vigtigste site, såsom kontralaterale homologer 77 eller omfatte kontrol betingelser / opgaver, der ikke indpasses i processen med interesse 24,62 , 73,78,79.

Endelig skal sikkerhedsmæssige overvejelser altid tages i betragtning ved udformningen TMS eksperimenter, da det potentielt kan fremkalde besvimelse og kramper 27. For at minimere denne risiko, internationalt anerkendte retningslinjer for stimulation intensitet, frekvens og varighed exists, samt for det samlede antal af pulser og inter-retssagen intervaller 27,28. Protokoller, der forbliver inden for disse retningslinjer menes at være sikkert for neurologisk normale deltagere. Det er dog værd at bemærke, at disse er endnu ufuldstændige, og at der indføres ofte nye TMS protokoller, der også vise sig sikker. Generelt tyder på, at når offentliggjorte retningslinjer følges, TMS er en sikker procedure uden farlige bivirkninger. En konsekvens af disse begrænsninger, er imidlertid, at adfærdsmæssige protokoller ofte skal justeres, inden de kan anvendes med TMS. Dette har konsekvenser for flere aspekter af design, herunder længden af ​​forsøget, antal forsøg, antal forhold og stimulering sites, der kan testes. Nogle af disse begrænsninger kan overvindes ved at opdele eksperimentet i separate sessioner såsom at teste forskellige stimulation steder på forskellige dage. I disse tilfælde er det vigtigt at sikre, at lokaliseringog afprøvning af et site er gjort inden for samme session. Dette minimerer eksperimentelle varians ved at maksimere nøjagtigheden af ​​målretning. Når der træffes beslutning om at anvende en eller flere test session, den grundlæggende begrænsning, er sikkerheden for deltageren - specielt mængden af ​​stimulation, der er sikkert i en enkelt session. Den samlede stimulering involverer orientering og praksis, lokalisering (hvis du bruger TMS), og afprøvning, potentielt over flere steder, og kritisk afhænger af antallet af forsøg pr tilstand. Hvis dette tal overstiger retningslinjerne for en enkelt session, er det nødvendigt at bryde eksperimentet i flere sessioner, foretaget mindst 24 timer fra hinanden. Der er ingen hårde og hurtige regler for det mindste antal forsøg der er nødvendige for TMS eksperimenter, men som enhver eksperiment, kan disse beregnes ved hjælp af power beregninger standard baseret på effekt størrelse, varians, α-niveau (typisk 0,05) og den ønskede følsomhed. Ofte rimelige skøn overeffektstørrelsen og varians er til rådighed som følge af den omfattende pilot test udført for at optimere forsøgsprotokollen.

Sammenfattende er TMS blevet et vigtigt redskab med brede applikationer til kognitiv neurovidenskab. Denne artikel giver en grundlæggende protokol for online TMS i forbindelse med en adfærdsmæssig opgave for at undersøge kausale hjerne adfærdsterapi relationer både i "virtuelt læsion" mode, og også en kronometriske værktøj for at udforske de tidsmæssige dynamik regionalt specifikke neurale informationsbehandling.

Disclosures

Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende finansielle interesser.

Acknowledgments

Forfatterne har ingen bekræftelser.

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).
Transcranial magnetisk stimulation til Undersøgelse Causal Brain-adfærdsmæssige relationer og deres Time Course
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