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Behavior

Stimulation magnétique transcrânienne pour l'étude des relations causales Brain-comportementales et leur temps de parcours

doi: 10.3791/51735 Published: July 18, 2014

Summary

La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est une technique de perturbation non-invasive du traitement neural de l'information et de mesurer son effet sur le comportement. Lorsque TMS interfère avec une tâche, il indique que la région du cerveau stimulée est nécessaire à l'exécution de la tâche normale, ce qui permet de relier systématiquement une des régions du cerveau à des fonctions cognitives.

Abstract

La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est une technique de stimulation cérébrale sûre, non invasive qui utilise un électro-forte afin de perturber temporairement le traitement de l'information dans une région du cerveau, générant une courte durée "lésion virtuelle». Stimulation qui interfère avec l'exécution des tâches indique que la région du cerveau affectée est nécessaire pour effectuer la tâche normalement. En d'autres termes, contrairement aux méthodes de neuroimagerie telles que l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) qui indiquent des corrélations entre le cerveau et le comportement, TMS peut être utilisé pour démontrer les relations causales cerveau et le comportement. En outre, en faisant varier la durée et l'apparition de la lésion virtuel, TMS peut également révéler l'évolution dans le temps de traitement normal. En conséquence, TMS est devenu un outil important en neurosciences cognitives. Avantages de la technique sur les études lésion déficit comprennent une meilleure précision spatio-temporelle de l'effet de la perturbation, la possibilité d'utiliser les participants que leur coopérationsujets de ntrol, et l'accessibilité des participants. Limitations comprennent auditif concurrente et stimulation somatosensoriel qui peuvent influer sur l'exécution des tâches, l'accès limité aux structures de plus de quelques centimètres de la surface du cuir chevelu, et l'espace relativement grand de paramètres libres qui doivent être optimisés pour que l'expérience de travailler. Les modèles expérimentaux qui donnent une attention particulière aux conditions de contrôle appropriées aident à répondre à ces préoccupations. Cet article illustre ces problèmes avec les résultats de TMS qui enquêtent sur les contributions spatiales et temporelles de la gyrus supra-marginal gauche (SMG) à la lecture.

Introduction

La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est un outil sûr et non invasif utilisé pour la stimulation du cerveau. Il utilise un courant électrique qui évolue rapidement dans une bobine conductrice de générer une forte, mais relativement focal, le champ magnétique. Lorsqu'elle est appliquée sur le cuir chevelu, le champ magnétique induit l'activité électrique dans le tissu cérébral sous-jacent, ce qui perturbe temporairement le traitement de l'information locale cortical. Cette interférence transitoire crée effectivement une courte durée "lésion virtuelle» de 1,2. Cette technique offre une méthode non-invasive pour l'élaboration des inférences causales cerveau et le comportement et l'enquête de la dynamique temporelle de ligne de neurones traitement de l'information chez les adultes sains et les patients neurologiques.

En interférant de manière sélective avec traitement cortical régional spécifique, TMS peut être utilisé pour établir des liens de causalité entre les régions du cerveau et des comportements spécifiques 3,4. Autrement dit, si la stimulation d'une zone corticale significativementaffecte les performances de la tâche par rapport aux conditions de contrôle appropriées, cela indique que la région stimulée est nécessaire pour effectuer la tâche normalement. Inférences causales de ce genre sont l'un des principaux avantages de la TMS sur les méthodes de neuroimagerie telles que l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) ou la tomographie par émission de positons (TEP). Contrairement aux techniques de neuro-imagerie qui mesurent l'activité neuronale et en corrélation avec le comportement, TMS offre la possibilité de perturber neurones traitement de l'information et de mesurer ses effets sur le comportement. En ce sens, il ressemble plus à des analyses lésion déficit traditionnelle chez les patients atteints de lésions cérébrales, sauf que TMS est non-invasive et les effets sont temporaires et réversibles. TMS a également plusieurs avantages par rapport aux études de lésion. Par exemple, les effets de la stimulation sont généralement plus spatialement précise que les lésions d'origine naturelle, qui sont souvent de grande taille et très variables selon les patients. En outre, les participants peuvent être utilisés comme leurs propres témoins, thereby éviter la question des différences potentielles dans les capacités de pré-morbides entre les patients et les contrôles. Enfin, il ya suffisamment de temps pour la réorganisation fonctionnelle qui aura lieu au cours de TMS, ce qui signifie que les processus de récupération est peu probable de confondre les résultats 5. En d'autres termes, TMS offre un outil puissant pour étudier les relations causales cerveau et le comportement qui complète les techniques de corrélation tels que la neuro-imagerie fonctionnelle.

TMS peuvent également être utilisés pour étudier l'évolution dans le temps de traitement neuronal de l'information en utilisant de très courtes salves de stimulation et de faire varier le début de la stimulation 6. Typiquement, cela implique soit un TMS simple ou double impulsion délivrée à une région à différents points de temps dans un procès. Parce que l'effet d'une impulsion TMS individu se produit immédiatement et dure quelque part entre 5 et 40 ms 7-10, ce qui permet au chercheur de cartographie de la dynamique temporelle de l'activité neuronale régionale, y compris son onset, la durée, et de compenser 11,12. La durée de cette interruption limite la résolution temporelle de la technique à 10s de ms, soit environ un ordre de grandeur plus grossière que l'électroencéphalographie (EEG) et la magnétoencéphalographie (MEG). D'autre part, les horaires observés dans les études chronométriques TMS ont tendance à correspondre à ceux d'enregistrements neurophysiologiques envahissantes mieux que l'EEG et MEG 9,13. On peut supposer que c'est parce que l'EEG et MEG mesurer à grande échelle synchronie neuronale qui est à la traîne de la première apparition de l'activité 14. En outre, comme l'IRMf et la TEP, l'EEG et MEG sont des mesures de corrélation de l'activité de l'ensemble du cerveau alors que TMS chronométrique peut non seulement fournir des informations importantes sur la dynamique temporelle régionales, mais aussi sur la nécessité de la région pour un comportement donné.

Bien que TMS a été initialement développé pour étudier la physiologie du système de moteur 15, il a rapidement été adopté comme un outil précieux pour cognitive neurosciences. Une de ses premières utilisations en tant que technique "lésion virtuelle» était d'induire arrêt de la parole en stimulant le cortex frontal inférieur gauche 16-18. Les résultats ont confirmé l'importance de l'aire de Broca pour la production de la parole et a proposé une alternative potentielle à des tests de Wada pour déterminer la dominance de la langue suite à des interventions neurochirurgicales 16,19. Maintenant TMS est utilisé dans pratiquement tous les domaines de la neuroscience cognitive, y compris l'attention 20, mémoire 21, le traitement visuel 22, planification de l'action 23, faisant 24 décision, et le traitement du langage 25. Typiquement TMS induit soit à accroître le taux d'erreur ou des temps de réaction plus lent (RTS), qui sont tous deux pris comme indicateurs de relations causales entre le cerveau et le comportement 3,4. Certaines études utilisent TMS, tant dans son mode de lésion virtuelle et comme un outil de chronométrie. Par exemple, Pitcher et ses collègues 11 ont d'abord montré que répétitif TMS(SMTr) livrés à la surface de la face occipitale perturbé discrimination visage précis et ensuite utilisés chronométrique TMS pour déterminer que cet effet n'était présent lors de TMS a été livré à 60 et 100 ms, ce qui démontre que cette région particulière du cerveau traite l'information face-partie à un stade précoce stade de la reconnaissance de visage. Dans tous les exemples cités ici, est administré TMS "on-line", c'est-à-dire pendant l'exécution des tâches, de telle sorte que les effets de TMS sont immédiats et de courte durée (par exemple, les effets durent plus longtemps que la durée de stimulation). Cela contraste avec les TMS "off-line" qui implique soit de longues séries de faible stimulation de fréquence 21 ou de courtes rafales de stimulation à motifs 26 avant de commencer une tâche. En off-line TMS les effets durent bien au-delà de la durée de l'application TMS lui-même. Cet article se concentre exclusivement sur l'approche "en ligne".

Les premières étapes de la préparation de toute TMS experiment comprennent l'identification d'un protocole de stimulation et de choisir une méthode de localisation. Les paramètres de stimulation comprennent intensité, la fréquence et la durée des TMS et sont contraints par les exigences de sécurité définies internationalement 27,28. Chaque expérience TMS nécessite également une procédure de localisation adapté pour positionner et orienter avec précision la bobine sur le site de stimulation. La localisation peut être fondée sur l'espace norme coordonnées 29 ou: 10 - 20 système de localisation 30, mais en général, est personnalisé à chaque participant 31. Pour ces derniers, il ya beaucoup d'options qui incluent la stimulation de ciblage basées sur l'anatomie de chaque individu 32, de localisation fonctionnelle par IRMf 33 ou fonctionnellement localisation en utilisant le TMS 34. Le protocole présenté ici préconise localisation fonctionnelle avec TMS dans le cadre d'un protocole général pour des expériences en ligne TMS. Ensuite, un exemple illustratif de la manière dont est présentée TMS peut être utiliséd'enquêter sur les contributions techniques du gyrus supra-marginal gauche (SMG) à traitement phonologique en lecture.

Protocol

Ce protocole a été approuvé par le Comité d'éthique de l'UCL (n ° 249/001) pour la stimulation cérébrale non invasive de volontaires humains neurologiquement normaux.

1. Créer le protocole de TMS

Presque toutes les expériences de TMS en neurosciences cognitives utilisent stimulation biphasique en conjonction avec une bobine en forme de figure-de-huit. Cela donne la possibilité de fournir les trains d'impulsions rapides (> 1 Hz) et de cibler un site cortical aussi précisément que possible. Il est possible d'utiliser la stimulation monophasique 35 ou une forme de bobine différente 36, mais ici la configuration standard a été appliquée.

  1. Choisissez une fréquence et la durée de la stimulation.
    REMARQUE: Un choix commun en neurosciences cognitives est d'utiliser 10 Hz stimulation pour 500 ms à partir du début de l'37-40 de relance.
  2. Choisissez un niveau d'intensité sur la base de l'essai pilote vaste. Tenez constante tous les participants.
    REMARQUE: Pour le u de l'équipementsed ici, les intensités couramment utilisés sont compris entre 50 - 70% de la puissance maximale du stimulateur 11,41-44.
  3. Choisissez un intervalle entre les essais. Pour des raisons à la fois pratiques et de sécurité, séparer les essais de stimulation par un minimum de 3 - 5 sec 27,45.

2. Effectuer chef enregistrement

  1. Acquérir une haute résolution, l'imagerie par résonance magnétique anatomique pondérée en T1 (IRM) pour chaque participant sur une session distincte avant la TMS. Inclure les points de référence dans l'image qui sera utilisée dans l'étape 2.3.
  2. Chargez le balayage dans le système de stéréotaxie sans cadre avant la session de TMS pour permettre un ciblage précis des sites de stimulation à chaque participant. Marquer les sites de stimulation sur la tête au début de l'expérience ou de surveiller en permanence tout au long de l'expérience.
  3. Marquer quatre points de référence sur l'image du participant. Généralement il s'agit notamment de la pointe du nez, le pont du nez, et le pasch-dessus du tragus de l'oreille.
  4. Fournir l'information des participants sur les TMS dans l'ordre pour eux de donner un consentement éclairé à participer à l'expérience.
  5. Demandez au participant de remplir un formulaire à l'écran de sécurité TMS qui a été approuvé par l'Institutional Review Board.
    REMARQUE: contradictions permanentes auprès de TMS comprennent des antécédents personnels ou familiaux d'épilepsie, une histoire clinique des problèmes neurologiques ou psychiatriques, ou les dispositifs médicaux implantés tels que un stimulateur cardiaque ou des implants cochléaires. Exigences de sécurité de TMS ne pas suivre peuvent potentiellement induire une syncope et de saisie.
  6. Placez le sujet tracker sur la tête du participant; il agira comme une référence pour mesurer points de référence. Touchez chaque point de repère sur la tête du sujet avec un pointeur qui est livré avec le système de stéréotaxie et enregistrer les coordonnées correspondantes sur l'ordinateur. Calibrer la tête du sujet avec l'image IRM. Vérifiez la qualité de l'enregistrement et de répétitionle processus si nécessaire.
  7. Demandez au participant de porter des bouchons d'oreilles pendant la stimulation à atténuer le bruit de la décharge de la bobine et éviter d'endommager l'audition de 46 participants.
  8. Mettre en place la machine de TMS selon les choix effectués dans la section 1.
  9. Introduire le participant à la stimulation avant de tester pour s'assurer que le participant se familiarise avec son sensation et tolère bien. D'abord démontrer la stimulation sur le bras du chercheur, puis sur le bras du participant à s'acclimater à la personne avec la sensation.
    NOTE: Ceci est particulièrement important pour les participants qui éprouvent des TMS pour la première fois.
  10. Démontrer le protocole de stimulation sur chacun des sites de test que la sensation peut être différente en différents emplacements. Placer la bobine sur le premier site comme identifié par le système de stéréotaxie sans cadre de telle sorte que la bobine est tangentielle sur le cuir chevelu et la ligne de flux magnétique maximal coupe la rSite imulated.
    NOTE: La stimulation affecte parfois les nerfs faciaux ou les muscles et peut conduire à un malaise, il est important de vérifier si le participant tolère bien.

3. Effectuer localisation fonctionnelle

  1. Optimiser le site de stimulation en le personnalisant à chaque participant. Marquer plusieurs sites de stimulation potentiels dans la région du cerveau d'intérêt sur l'image structurelle du participant. Localiser les cibles d'au moins 10 mm l'une de l'autre compte tenu de la résolution spatiale du 47 TMS en utilisant une grille ou anatomique de marquage (figure 1).
  2. Choisissez une tâche d'alignement de piste qui puise dans la fonction cognitive de l'intérêt et a un comportement mesurables (par exemple, temps de réaction, la précision, les mouvements oculaires). Répétez la tâche à plusieurs reprises lors des tests des sites possibles et créer différentes versions de la tâche d'éviter la répétition constante des stimuli.
  3. Permettre aux participants de pratiquer la tâche sansstimulation jusqu'à ce qu'ils soient à l'aise avec elle. Puis introduire une deuxième séance d'essais avec TMS au hasard (ou pseudo-aléatoire) a présenté le 50% des essais afin que le participant s'habitue à effectuer la tâche sans être distrait par la stimulation.
  4. Choisissez un site de test et exécuter une version de la tâche d'alignement de piste. Vérifier immédiatement après les résultats pour voir si la stimulation des performances affectée.
    NOTE: Dans de nombreux cas, en stimulant un site "incorrect" sera effectivement faciliter les réponses relatives à aucune stimulation due à la facilitation inter-sensorielle 2, dans ce cas en raison d'entendre les clics et de sentir la sensation de stimulation dans le cuir chevelu. En outre, les grands effets de la stimulation (c'est à dire, plus de 100 msec) sont souvent un artefact et exigent un nouveau test. S'ils reproduisent et sont spécifiques à un site particulier tester, ils peuvent avoir des effets véritables. Veillez à choisir une mesure robuste d'un effet de TMS d'être confiant dans localization.
  5. Si aucun effet n'est observé, choisissez un nouveau site d'essai et répéter, sinon tester à nouveau le même site afin de déterminer si il réplique. Testez plusieurs sites back-to-back dans la même session de veiller à ce qu'ils ne produisent pas toutes un effet comme cela indiquerait un effet non spécifique TMS. Contrebalancer l'ordre que les sites sont stimulés tous les participants.

4. Tâche principale

  1. Après localisation et dans la même session, exécutez l'expérience principale utilisation du site cible qui a été localisé fonctionnellement.
    REMARQUE: Il s'agira d'une tâche différente de celle utilisée dans la localisation mais un qui partage le processus clé d'intérêt. Par exemple, une tâche de jugement de rimes peut être utilisé pour la localisation d'une zone sensible au traitement des sons des mots tout en une tâche de jugement de homophone peut être utilisé pour l'expérience principale. Dans cet exemple, les deux tâches nécessitent un traitement phonologique des mots écrits, bien que les demandes de tâches spécifiques et stimulationli diffèrent.
  2. Inclure les conditions de contrôle suffisantes pour exclure des effets non spécifiques de TMS.
  3. Testez le même site sur une tâche de contrôle qui ne comprend pas le processus d'intérêt à démontrer la spécificité fonctionnelle dans le traitement.
  4. Testez un autre site sur la tâche principale à démontrer la spécificité anatomique de l'effet.
  5. Inclure les conditions de contrôle supplémentaires tels que simulacre TMS, les stimuli de contrôle, ou plusieurs fenêtres de temps.
  6. Mener une expérience traditionnelle de «lésion virtuelle» en utilisant les mêmes paramètres utilisés lors de TMS localisation (par exemple, l'intensité, la fréquence et la durée de la stimulation). Pour l'expérience TMS chronométrique, utiliser la même intensité mais de remplacer le train d'impulsions utilisés lors de localisation soit par un seul 48 ou double impulsion 49 livrés à différents temps de latence d'apparition.

Representative Results

La figure 2 illustre les résultats de deux expériences TMS mentionnés à titre d'exemples. À savoir, la première enquête si la SMG gauche est causalement impliqués dans le traitement des sons des mots alors que la deuxième enquête de la dynamique temporelle de cette participation. Figure 2A montre des résultats représentatifs de la première expérience où SMTr (10 Hz, 5 impulsions, 55% des intensité maximale) a été livré à SMG pendant trois tâches. La tâche phonologique attiré l'attention sur les sons des mots ("ce que ces deux mots se ressemblent? Sait-nez") alors que la tâche sémantique axée sur leur signification ("ce que ces deux mots signifient la même chose? Idée-notion"). Une tâche tiers de commande présenté paires de chaînes de consonnes lettre et a demandé si elles étaient identiques ("wsrft-wsrft"). Chaque tâche est composée de 100 essais. Les résultats ont démontré que le TMS a augmenté de façon significative par rapport au pas de TR stimulation dans la tâche phonologique en moyenne de 37 msec. En revanche, SMG stimulation n'a eu aucun effet significatif sur les RT dans les tâches de contrôle sémantiques ou orthographiques. En d'autres termes, une «lésion virtuelle» de la SMG gauche interféré de manière sélective avec le traitement des sons des mots, indiquant la nécessité de SMG dans le traitement des aspects phonologiques des mots écrits 44.

La figure 2B montre les résultats représentatifs de l'expérience chronométrique à explorer l'évolution dans le temps de traitement à l'intérieur de SMG phonologique. Ici, double TMS d'impulsion a été livré à cinq fenêtres de temps différents après le début du stimulus au cours de la même tâche phonologique avec 100 essais répartis en cinq tranches égales chaque fenêtre temporelle différente tester. Par rapport à l'état initial (40/80 ms), on a observé une augmentation significative de la RTS lorsque TMS a été rendu 80/120, 120/160, et 160/200 ms après le début de la stimulation. Ces résultats ont démontré SMG était le caed dans le traitement phonologique entre 80 et 200 ms après le début du stimulus, indiquant à la fois rapide et soutenue dans le traitement phonologique 44.

Figure 1
Figure 1. Deux méthodes communes de marquer les sites de stimulation. Potentiels (A) Un premier procédé consiste à placer une grille de repères sur une zone du moteur de la main et de test jusqu'à ce que chaque TMS produit l'effet escompté. Cette approche est commune pour l'identification d'un moteur "hot spot" - c'est à dire le lieu où la stimulation produit la plus forte, la contraction musculaire plus fiable (B) Une deuxième méthode s'applique contraintes anatomiques supplémentaires en plaçant un ensemble de marqueurs dans un bien défini. région du cerveau. Dans cet exemple, l'emplacement des trois marqueurs est limitée à la région antérieure de PM. La première est de localiserd supérieure à la fin de la branche postérieure ascendante de la scissure de Sylvius; le second est à l'extrémité ventrale de la SMG antérieure; et la troisième est approximativement à mi-chemin entre les deux autres sites. marqueurs de stimulation sont présentés sur un plan parasagittale d'une IRM personne utilisant le système de stéréotaxie sans cadre. La barre d'échelle noire dans le coin en bas à gauche indique une distance de 1 cm.

Figure 2
Figure 2. Des durées de réaction (RT) à partir de l'apparition du stimulus. (A) noTMS (barres claires) et TMS (barres foncées) les conditions dans trois tâches différentes langues. (B) Cinq stimulation conditions de synchronisation dans la tâche phonologique. Dans l'exemple présenté ici, impulsions doubles ont été livrés soit à 40/80 ms, 80/120 ms, 120/160 ms, 160/200 ms, et 200/240 ms après le début du stimulus. The première fenêtre de temps, 40/80 ms, a été utilisé comme une condition de commande de ligne de base, car on ne s'attendait pas les informations visuelles pour arriver à la SMG que rapidement. Les barres d'erreur représentent l'erreur standard de la moyenne ajustée pour refléter correctement intra-sujet variance 50. La première expérience contient les données de 12 participants et le deuxième à partir de 32 participants. * P <0,05.

Discussion

Cet article présente un protocole pour l'évaluation de la causalité et l'implication temporelle des régions du cerveau dans les processus cognitifs à l'aide de TMS en ligne. Cette discussion souligne d'abord les étapes critiques pour la création d'un protocole de TMS succès et puis les limites qui doivent être pris en considération lors de la conception d'une expérience de TMS.

Parce que les protocoles TMS ont un grand nombre de paramètres libres, assurant les paramètres de stimulation optimale est une étape essentielle dans la préparation d'une expérience de TMS. Normalement, cela est réalisé par des essais pilotes vaste afin de déterminer la fréquence de stimulation, la durée, l'intensité, l'intervalle entre les essais et l'orientation de la bobine nécessaire pour produire des effets robustes. Pour créer une "lésion virtuelle» efficace de la fréquence doit induire un effet robuste qui couvre une assez grande fenêtre de temps pour englober le processus cognitif d'intérêt. En conséquence, la fréquence et la durée varient selon les études. De même, l'& #8220; intensité à droite "de la stimulation est celui qui assure le champ magnétique affecte le traitement de neurones dans la région du cerveau cible et ici le facteur principal est la distance à partir de la bobine vers le site de stimulation 51. De nombreuses études identifient l'intensité de la stimulation nécessaire pour produire une réponse motrice lors de la stimulation de la zone de la main cortex moteur primaire et l'utiliser pour normaliser l'intensité à travers les participants 52,53-55. Cette mesure, cependant, n'est pas un indice fiable de l'intensité optimale pour les zones non moteurs 42,51,56. Une autre option consiste à utiliser la même intensité pour tous les participants. L'intensité choisie doit être efficace dans toutes les matières pilotes après avoir expérimenté une gamme d'intensités de stimulation. En outre, l'orientation de la bobine est un paramètre important qui nécessite un examen. L'orientation de la bobine spécifique affecte la distribution du champ électrique induit au sein de la population neuronale stimulée et peut donc influencer behaportement. En général, les protocoles publiés peuvent fournir un point de départ qui est itérativement modifiée au cours de l'essai pilote en fonction de l'expérience spécifique. Souvent, cependant, les informations sur cette mise à l'essai est omis de la version finale du manuscrit, qui a pour effet regrettable de cacher certains aspects clés du processus de conception du protocole.

Le choix d'une procédure de localisation est également indispensable de veiller à ce que la stimulation est administrée au site optimal. Bien que de nombreuses études ont localisé avec succès des sites de stimulation utilisant des méthodes fondées anatomie qui ciblent un emplacement unique à travers différents participants 57,58, la personnalisation du site de stimulation pour chaque sujet réduit individuellement entre-sujet variance dans les résultats comportementaux rendement d'une méthode plus efficace 31. Ici, nous avons présenté une procédure de localisation fonctionnelle à base de TMS qui offre des avantages sur la localisation basée sur l'IRMf. Plus précisément, il permet d'éviter le problème des différentes distorsions spatiales soitentre IRMf (c.-à veines qui drainent 59) et TMS (c'est à dire, l'orientation des axones dans le champ magnétique de 6,60) qui peut aboutir à la même réponse neuronale étant localisée à différents endroits. En outre, il est bien connu que l'activation de l'emplacement exact des «pics» dans IRMf peut varier considérablement, rendant sous-optimale en tant que cible TMS 55,61. Même ainsi, une variété de procédures de localisation différents sont notoirement efficace, de sorte que le choix spécifique est moins important que pour que la méthode qui est utilisée fournit des effets fiables et reproductibles.

Bien que les données de l'expérience présentés ici utilisés des temps de réaction que la mesure dépend, il ya beaucoup d'autres options disponibles. Par exemple, certaines études utilisent exactitude place 9,12,62. Dans ces cas, l'exécution normale sans TMS est déjà en dessous des niveaux de plafond de sorte que la perturbation induite par la stimulation se reflète dans les scores de précision.D'autres études ont mesuré les effets de la stimulation sur les mouvements oculaires 63,64. Expériences en neurosciences cognitives plus avec TMS, cependant, utilisent des temps de réaction comme mesure dépendante 13,48,65,66. En règle générale, les effets sont de l'ordre de plusieurs dizaines de ms, soit environ un changement de 10% dans des temps de réaction 67. Quelle que soit la mesure dépendante utilisée doit être robuste et cohérente afin que des variations relativement faibles peuvent être facilement observés.

Comme toute technique expérimentale, TMS a des limites importantes qui doivent être considérés lors du choix de cette méthode. Les plus courants sont les suivants: i) la résolution spatiale des TMS, ii) les effets non spécifiques associée à la stimulation, et iii) les aspects de sécurité de la méthodologie. Tout d'abord, TMS a une profondeur limitée de stimulation car le champ magnétique réduit l'intensité du plus loin qu'il est de la bobine. Par conséquent, il est plus efficace de stimuler les régions du cerveau près du cuir chevelu (~ 2 - 3 cm) 68,69 69. TMS a également une résolution spatiale d'environ 0,5 à 1 cm 47,70-72. Ainsi, la méthode ne peut être utilisée pour étudier les contributions fonctionnelles de structures spatiales à grains fins tels que des colonnes corticales.

Une deuxième limite de TMS est que la stimulation introduit des effets simultanés secondaires sensorielles en raison du champ magnétique en mutation rapide. Plus particulièrement, chaque impulsion magnétique est accompagné par un clic sonore et une sensation de taraudage. Par conséquent TMS peut être inapproprié pour certaines expériences auditives ou somesthésiques où ces effets secondaires peuvent interférer avec l'exécution des tâches. Notez, cependant, que la ligne TMS a été utilisé avec succès dans des expériences auditives 73,74 75,76. Parce que ces différences entre les sites peuvent induire confond expérimentales, il est important d'utiliser soit un site de contrôle avec des effets secondaires similaires au site principal comme homologues controlatéraux 77 ou inclure les conditions de contrôle / tâches qui ne puisent pas dans le processus d'intérêt 24,62 , 73,78,79.

Enfin, les considérations de sécurité doivent toujours être pris en compte lors de la conception des expériences de TMS car cela peut potentiellement induire une syncope et saisies 27. Pour minimiser ce risque, des lignes directrices internationalement reconnues pour l'intensité de la stimulation, la fréquence et la durée exists, ainsi que pour le nombre total d'impulsions et les intervalles entre les essais 27,28. Protocoles qui restent dans ces lignes directrices sont censées être sans danger pour les participants neurologiquement normaux. Il est à noter, cependant, que ce sont encore incomplètes et que, souvent, de nouveaux protocoles de TMS sont introduits qui prouvent également sans danger. En général, les données suggèrent que lorsque les lignes directrices publiées sont suivies, TMS est une procédure sûre et sans effets secondaires dangereux. Une des conséquences de ces limites, cependant, est que les protocoles de comportement souvent besoin d'être ajustée avant qu'ils ne puissent être utilisés avec TMS. Ceci a des implications pour plusieurs aspects de la conception, y compris la durée de l'expérience, le nombre d'essais, le nombre de conditions et de sites de stimulation qui peuvent être testés. Certaines de ces limitations peuvent être surmontées en divisant l'expérience dans des sessions distinctes, telles que tester différents sites de stimulation à des jours différents. Dans ces cas, il est important de veiller à ce que la localisationet les essais d'un site sont effectuées dans la même session. Ceci minimise la variance expérimentale en maximisant la précision de ciblage. Lorsque vous décidez d'utiliser une ou plusieurs séance d'essais, la limitation fondamentale est la sécurité des participants - en particulier, la quantité de stimulation qui est sûr en une seule séance. La stimulation totale exige une familiarisation, la pratique, la localisation (si vous utilisez TMS), et l'essai, potentiellement sur plusieurs sites, et dépend essentiellement du nombre d'essais par condition. Lorsque ce chiffre dépasse les lignes directrices pour une seule session, il est nécessaire de briser l'expérience en plusieurs sessions, effectué au moins 24 heures d'intervalle. Il ne sont pas des règles strictes et rapides concernant le nombre minimum d'essais nécessaires pour les expériences de TMS, mais comme toute expérience, ceux-ci peuvent être calculées en utilisant les calculs de puissance standard basées sur la taille de l'effet, la variance, niveau α (généralement 0,05) et souhaitées sensibilité. Souvent estimations raisonnables del'ampleur de l'effet et de la variance sont disponibles à la suite de la mise à l'essai extensif fait pour optimiser le protocole expérimental.

En résumé, TMS est devenu un outil important avec de larges applications à la neuroscience cognitive. Cet article fournit un protocole de base pour ligne TMS en conjonction avec une tâche comportementale pour l'étude des relations cerveau-comportement causalité fois en mode «lésion virtuelle» et aussi un outil chronométrique pour explorer la dynamique temporelle de traitement de l'information neuronale régionale spécifique.

Disclosures

Les auteurs déclarent qu'ils n'ont aucun intérêt financier concurrents.

Acknowledgments

Les auteurs n'ont aucun remerciements.

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., 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).

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