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Stimolazione Magnetica Transcranica per indagare le relazioni causali Brain-comportamentali e la loro Corso di Tempo

doi: 10.3791/51735 Published: July 18, 2014

Summary

Stimolazione Magnetica Transcranica (TMS) è una tecnica per non invasivo interrompere l'elaborazione delle informazioni neurali e misurare il suo effetto sul comportamento. Quando TMS interferisce con un compito, indica che la regione del cervello stimolata è necessaria per prestazioni normali attività, permettendo di riferiscono sistematicamente regioni cerebrali alle funzioni cognitive.

Abstract

Stimolazione Magnetica Transcranica (TMS) è un sicuro non invasiva tecnica, stimolazione cerebrale che utilizza un forte elettromagnete, al fine di interrompere temporaneamente l'elaborazione delle informazioni in una regione del cervello, generando una breve durata "lesione virtuale". Stimolazione che interferisce con le prestazioni task indica che la regione del cervello interessata è necessario per eseguire l'operazione normalmente. In altre parole, a differenza dei metodi di neuroimaging come la risonanza magnetica funzionale (fMRI), che indicano correlazioni tra cervello e comportamento, TMS può essere utilizzato per dimostrare causali relazioni cervello-comportamento. Inoltre, variando la durata e insorgenza della lesione virtuale, TMS può anche rivelare il decorso della normale elaborazione. Come risultato, TMS è diventato uno strumento importante nel campo delle neuroscienze cognitive. Vantaggi della tecnica sopra studi lesione deficitarie includono una migliore precisione spaziale-temporale dell'effetto interruzione, la capacità di usare partecipanti come proprio cosoggetti ntrol e l'accessibilità dei partecipanti. Limiti comprendono uditivo simultaneo e stimolazione somatosensoriale che possono influenzare le prestazioni compito, accesso limitato alle strutture più di pochi centimetri dalla superficie del cuoio capelluto, e relativamente grande spazio di parametri liberi che devono essere ottimizzate in modo che l'esperimento lavorare. Disegni sperimentali che danno molta attenzione alle opportune condizioni di controllo aiutano a rispondere a queste preoccupazioni. Questo articolo illustra questi temi con risultati TMS che indagano i contributi spaziali e temporali del giro sopramarginale sinistra (SMG) a lettura.

Introduction

La stimolazione magnetica transcranica (TMS) è uno strumento sicuro e non invasivo utilizzato per la stimolazione del cervello. Esso utilizza una corrente elettrica in rapida evoluzione all'interno una bobina conducendo per generare un forte, ma relativamente focale campo magnetico. Quando applicato al cuoio capelluto, il campo magnetico induce attività elettrica nel tessuto cerebrale sottostante, interrompendo temporaneamente l'elaborazione delle informazioni corticale locale. Questa interferenza transitoria crea effettivamente una breve durata "lesione virtuale" 1,2. Questa tecnica offre un metodo non invasivo per il disegno causali inferenze cervello-comportamento e studiare le dinamiche temporali della linea di elaborazione delle informazioni neurali sia negli adulti sani e pazienti neurologici.

Con interferire selettivamente con l'elaborazione corticale specifici per ogni regione, TMS può essere utilizzato per disegnare nessi causali tra le regioni cerebrali e comportamenti specifici 3,4. Cioè, se stimolando una zona corticale significativamenteinfluisce sulle prestazioni compito relativo al adeguate condizioni di controllo, ciò indica che l'area stimolata è necessario per eseguire l'operazione normalmente. Inferenze causali di questo tipo sono uno dei principali vantaggi di TMS rispetto ai metodi di neuroimaging come la risonanza magnetica funzionale (fMRI) o la tomografia a emissione di positroni (PET). A differenza delle tecniche di neuroimaging che misurano l'attività neurale e correlano con il comportamento, TMS offre la possibilità di perturbare l'elaborazione delle informazioni neurali e misurare i suoi effetti sul comportamento. In questo senso, è più simile tradizionale lesione deficit analizza in pazienti con danno cerebrale, tranne che TMS non è invasivo e gli effetti sono temporanei e reversibili. TMS ha anche diversi vantaggi rispetto studi lesioni. Per esempio, gli effetti della stimolazione sono generalmente più spazialmente preciso di lesioni presenti in natura, che sono spesso di grandi dimensioni e variano notevolmente tra i pazienti. Inoltre, i partecipanti possono essere utilizzati come i propri controlli, thereby evitando l'emissione di eventuali differenze di capacità pre-morbosi tra pazienti e controlli. Infine, vi è il tempo sufficiente per la riorganizzazione funzionale di prendere posto durante TMS, il che significa che i processi di recupero è improbabile che confondere i risultati 5. In altre parole, TMS offre un potente strumento per indagare le relazioni causali cervello-comportamento che integra tecniche di correlazione come neuroimaging funzionale.

TMS possono anche essere usati per studiare l'andamento temporale di elaborazione delle informazioni neurale utilizzando molto brevi sequenze di stimolazione e variando l'insorgenza di stimolazione 6. Tipicamente si tratta di un singolo o doppio impulso TMS consegnato ad una regione in diversi punti del tempo all'interno di un processo. Poiché l'effetto di un singolo impulso TMS avviene immediatamente e dura da qualche parte tra 5 e 40 msec 7-10, ciò consente al ricercatore di mappare le dinamiche temporali di attività neuronale regionale compresa la sua onset, la durata, e offset 11,12. La durata di questa interruzione limita la risoluzione temporale della tecnica a 10s di msec, circa un ordine di grandezza più grossolana rispetto elettroencefalografia (EEG) e magnetoencefalografia (MEG). D'altra parte, i tempi osservati in studi cronometrici TMS tendono a coincidere con quelli da registrazioni neurofisiologiche invasive meglio di EEG e MEG 9,13. Presumibilmente questo è perché EEG e MEG misura larga scala sincronia neuronale che in ritardo rispetto la prima insorgenza di attività 14. Inoltre, come la fMRI e PET, EEG e MEG sono misure correlative di attività di tutto il cervello che TMS cronometrico in grado di fornire non solo informazioni importanti sulle dinamiche temporali regionali, ma anche sulla necessità della regione per un determinato comportamento.

Anche se TMS è stato originariamente sviluppato per studiare la fisiologia del sistema motore 15, è stato rapidamente adottato come uno strumento prezioso per cognitive neuroscienze. Uno dei suoi primi impieghi come una tecnica di "lesione virtuale" è stato quello di indurre l'arresto del discorso, stimolando la partita inferiore corteccia frontale 16-18. I risultati hanno confermato l'importanza dell'area di Broca per la produzione vocale e suggerito un potenziale alternativa al test di Wada per determinare la lingua dominante a seguito di interventi neurochirurgici 16,19. Ora TMS viene utilizzato in quasi tutti i settori delle neuroscienze cognitive, tra cui l'attenzione 20, la memoria 21, elaborazione visiva 22, la pianificazione delle azioni 23, il processo decisionale 24, e l'elaborazione del linguaggio 25. Tipicamente TMS induce sia un aumento dei tassi di errore o tempi di reazione più lenti (RTS), entrambi i quali sono presi come indicatori di relazioni causali tra cervello e il comportamento 3,4. Alcuni studi utilizzano TMS sia nella sua modalità lesione virtuale e come strumento cronometrico. Ad esempio, Brocca e colleghi hanno dimostrato che 11, primo ripetitivo TMS(RTMS) consegnati alla zona del viso occipitale interrotte discriminazione viso accurata e poi utilizzati cronometrico TMS per determinare che questo effetto era presente solo quando TMS è stato consegnato a 60 e 100 msec, dimostrando che questa particolare regione del cervello elabora le informazioni faccia parte ad una precoce fase di riconoscimento facciale. In tutti gli esempi citati qui, TMS viene somministrato "on-line", cioè durante l'esecuzione delle attività, in modo che gli effetti della TMS sono immediati e di breve durata (cioè, gli effetti durano quanto la durata della stimolazione). Questo contrasta con TMS "off-line", che coinvolge sia lunghi tratti di stimolazione a bassa frequenza di 21 o brevi raffiche di fantasia stimolazione 26 prima di iniziare un'attività. In off-line TMS gli effetti durano ben oltre la durata dell'applicazione TMS stessa. Questo articolo si concentra esclusivamente su un approccio "on-line".

I primi passi nella preparazione di qualsiasi TMS eXperiment includono l'identificazione di un protocollo di stimolazione e la scelta di un metodo di localizzazione. Parametri di stimolazione comprendono intensità, la frequenza e la durata della TMS e sono vincolati dai requisiti di sicurezza definiti a livello internazionale 27,28. Ogni esperimento TMS richiede anche una procedura di localizzazione adatto per posizionare e orientare la bobina con precisione sul sito di stimolazione. La localizzazione può essere basata su uno spazio standard di coordinate 29 o 10-20 sistema di localizzazione 30, ma in genere è personalizzato per ogni singolo partecipante 31. Per questi ultimi, ci sono molte opzioni che includono la stimolazione di targeting basato su anatomia di ogni individuo 32, funzionalmente localizzando con fMRI 33 o funzionalmente localizzazione utilizzando TMS 34. Il protocollo presentato qui sostiene localizzazione funzionale con TMS come parte di un protocollo generale per on-line esperimenti TMS. Poi un esempio illustrativo è presentato come TMS può essere utilizzataper indagare i contributi funzionali del giro sopramarginale sinistra (SMG) a processo fonologico nella lettura.

Protocol

Questo protocollo è stato approvato dalla UCL Ethics Review Board (# 249/001) per non invasiva di stimolazione cerebrale neurologicamente normali volontari umani.

1. Creare il protocollo TMS

Quasi tutti gli esperimenti di TMS in neuroscienze cognitive utilizzano la stimolazione bi-fasica in combinazione con una bobina a forma di figura-di-otto. Ciò fornisce la capacità di fornire rapidi treni di impulsi (> 1 Hz) e un sito bersaglio corticale più precisamente possibile. E 'possibile utilizzare mono-fasica stimolazione 35 o una forma diversa bobina 36, ma qui è stata applicata la configurazione standard.

  1. Scegliere una frequenza e durata della stimolazione.
    NOTA: Una scelta comune nella neuroscienza cognitiva è quello di utilizzare la stimolazione 10 Hz per 500 msec dall'esordio del 37-40 stimolo.
  2. Scegliere un livello di intensità in base a numerosi test pilota. Tenerlo costante di tutti i partecipanti.
    NOTA: Per la u attrezzaturesed qui, intensità comunemente usati variano tra il 50 - 70% della potenza massima stimolatore 11,41-44.
  3. Scegliere un intervallo inter-trial. Per motivi pratici e di sicurezza, separare le prove di stimolazione da un minimo di 3 - 5 sec 27,45.

2. Eseguire testa di registrazione

  1. Acquisire una ad alta risoluzione, anatomica risonanza magnetica pesata in T1 (MRI) per ogni partecipante in una sessione separata prima della TMS. Includere i punti fiduciali nell'immagine che verrà utilizzato nella fase 2.3.
  2. Caricare la scansione nel sistema stereotassia frameless prima della sessione di TMS per consentire accurata del target da siti di stimolazione in ogni partecipante. Segnare i siti di stimolazione sulla testa all'inizio dell'esperimento o monitorare continuamente durante l'esperimento.
  3. Segnare quattro punti fiduciali sull'immagine del partecipante. Tipicamente questi includono la punta del naso, il ponte del naso, e la nonch sopra il trago di ciascun orecchio.
  4. Fornire le informazioni sui partecipanti TMS in modo per loro di dare il consenso informato per partecipare all'esperimento.
  5. Chiedere al partecipante di compilare un modulo di schermo TMS di sicurezza che è stato approvato dal Comitato Istituzionale.
    NOTA: le contraddizioni permanenti a TMS includono una storia personale o familiare di epilessia, una storia clinica di problemi neurologici o psichiatrici, o dispositivi medici impiantati come un pacemaker cardiaco o impianti cocleari. Requisiti di sicurezza non segue TMS può potenzialmente indurre sincope e convulsioni.
  6. Posizionare il tracker argomento sulla testa del partecipante; esso fungerà da riferimento per misurare i punti fiduciali. Toccare ogni punto fiduciale sulla testa del soggetto con un puntatore che viene fornito con il sistema stereotassia e salvare le corrispondenti coordinate sul computer. Calibrare la testa del soggetto l'immagine RM con. Controllare la qualità della registrazione e ripeterela procedura se necessario.
  7. Chiedere al partecipante di indossare tappi per le orecchie durante la stimolazione ad attenuare il suono dello scarico bobina ed evitare danni all'udito dei partecipanti 46.
  8. Impostare la macchina TMS in base alle scelte fatte nella Sezione 1.
  9. Introdurre il partecipante alla stimolazione prima del test per garantire che il partecipante è familiarizzato con la sua sensazione e tollera bene. Prima prova di stimolazione sul braccio del ricercatore e poi sul braccio del partecipante per acclimatare la persona con la sensazione.
    NOTA: Questo è particolarmente importante per i partecipanti che stanno vivendo TMS per la prima volta.
  10. Dimostrare il protocollo di stimolazione su ciascuno dei siti test come la sensazione può essere diverso in luoghi diversi. Posizionare la bobina sul primo sito come identificate dal sistema stereotaxy frameless tale che la bobina è tangente al cuoio capelluto e la linea di flusso magnetico massimo interseca la stsito imulated.
    NOTA: La stimolazione a volte colpisce i nervi del viso o dei muscoli e può portare a disagio quindi è importante verificare se il partecipante tollera bene.

3. Eseguire localizzazione funzionale

  1. Ottimizzare il sito di stimolazione personalizzandolo in modo da ciascun partecipante. Segna diversi potenziali siti di stimolazione all'interno della regione del cervello di interesse sull'immagine strutturale del partecipante. Individuare obiettivi almeno 10 mm dai altra data la risoluzione spaziale di TMS 47 utilizzando una griglia o anatomica marcatura (Figura 1).
  2. Scegliere un compito localizzatore che attinge la funzione cognitiva di interesse e ha un comportamento misurabile (ad esempio, tempi di reazione, la precisione, i movimenti oculari). Ripetere l'operazione più volte durante la prova i possibili siti e creare diverse versioni del compito di evitare la ripetizione costante degli stimoli.
  3. Lasciare che il partecipante di praticare l'attività senzastimolazione fino a che non sono confortevoli con esso. Poi introdurre una seconda sessione di prove con TMS casualmente (o pseudo-casuale), presentata il 50% delle prove in modo che il partecipante viene utilizzato per eseguire il compito senza essere distratti dalla stimolazione.
  4. Scegli un sito di test ed eseguire una versione del compito localizzatore. Subito dopo, controllare i risultati per vedere se la stimolazione influenzato le prestazioni.
    NOTA: In molti casi, stimolando un sito "non corretto" realmente faciliterà risposte relative a nessuno stimolo a causa di facilitazione inter-sensoriale 2, in questo caso a causa di sentire i click e sentire la sensazione della stimolazione del cuoio capelluto. Inoltre, grandi effetti di stimolazione (ad esempio, più di 100 msec) sono spesso artefatta e richiedono test ri. Se si replicano e sono specifici per un sito particolarmente test, allora possono essere effetti genuini. Assicuratevi di scegliere una misura robusta di un effetto TMS per essere fiduciosi in localizzione.
  5. Se nessun effetto si osserva, scegliere un nuovo sito di test e ripetere, in caso contrario verificare nuovamente lo stesso sito per determinare se si replica. Prova più siti back-to-back nella stessa sessione per assicurare che non tutti producono un effetto come questo indicherebbe un effetto TMS non specifico. Controbilanciare l'ordine che i siti sono stimolati tutti i partecipanti.

4. Principale Task

  1. Dopo la localizzazione e nella stessa sessione, eseguire l'esperimento principale utilizzando il sito di destinazione che è stata funzionale localizzato.
    NOTA: Ciò comporterà un compito diverso da quello usato nella localizzazione ma che condivide il processo chiave di interesse. Ad esempio, un'attività sentenza rima può essere utilizzata per localizzare area sensibile l'elaborazione dei suoni delle parole, mentre un compito di giudizio homophone potrebbe essere utilizzato per l'esperimento principale. In questo esempio, entrambi i compiti richiedono fonologica di parole scritte sebbene le richieste di compiti specifici e stimolazioneli differenziano.
  2. Includi condizioni di controllo sufficienti per escludere effetti non specifici di TMS.
  3. Verificare lo stesso sito su un compito di controllo che non include il processo di interesse a dimostrare la specificità funzionale nella lavorazione.
  4. Testare un sito diverso il compito principale di dimostrare la specificità anatomica dell'effetto.
  5. Includi condizioni di controllo aggiuntive come farsa TMS, stimoli di controllo, o più finestre temporali.
  6. Condurre un tradizionale esperimento "lesione virtuale" utilizzando gli stessi parametri TMS utilizzati durante la localizzazione (ad esempio, l'intensità, frequenza e durata della stimolazione). Per esperimento cronometrico TMS, utilizzare la stessa intensità, ma di sostituire il treno di impulsi utilizzati durante la localizzazione da un singolo o doppio impulso 48 49 consegnati a diverse latenze esordio.

Representative Results

La Figura 2 illustra i risultati di due esperimenti TMS citati come esempi. Vale a dire, la prima esaminato se l'SMG sinistra è causalmente coinvolto nella elaborazione dei suoni delle parole, mentre la seconda ha studiato le dinamiche temporali di questo coinvolgimento. Figura 2A mostra i risultati rappresentativi del primo esperimento in cui rTMS (10 Hz, 5 impulsi, il 55% dei intensità massima) è stato consegnato alla SMG durante tre compiti. Il compito fonologico focalizzato l'attenzione sui suoni delle parole ("Fare queste due parole suonano lo stesso? Sa-naso"), mentre il compito semantico focalizzata sul loro significato ("Do queste due parole significano la stessa cosa? Idea-concetto"). Un compito terzo controllo presentato coppie di stringhe di lettere consonanti e ha chiesto se fossero identiche ("wsrft-wsrft"). Ogni attività consisteva di 100 prove. I risultati hanno dimostrato che TMS aumentato significativamente RT rispetto a nessun stimulation nel compito fonologica da una media di 37 msec. Al contrario, la stimolazione SMG ha avuto alcun effetto significativo sui RT nei compiti di controllo semantiche o ortografiche. In altre parole, una "lesione virtuale" del SMG sinistra selettivamente interferiva con l'elaborazione dei suoni delle parole, che indica la necessità di SMG in lavorazione aspetti fonologica di parole scritte 44.

Figura 2B mostra risultati rappresentativi della sperimentazione cronometrico esplorare il decorso del trattamento fonologico all'interno SMG. Qui, doppio impulso TMS è stato consegnato in cinque diverse finestre temporali dopo stimolo esordio nel corso della stessa operazione fonologico con 100 prove suddivise in cinque blocchi uguali ogni finestra temporale diversa test. Rispetto alla condizione basale (40/80 msec), un aumento significativo RT è stata osservata quando TMS stato consegnato: 80/120, 120/160, e 160/200 msec dopo l'inizio dello stimolo. Questi risultati hanno dimostrato SMG era engaged in elaborazione fonologica compreso tra 80 e 200 msec post-stimolo esordio, che indica sia precoce e il coinvolgimento costante nella lavorazione fonologica 44.

Figura 1
Figura 1. Due metodi comuni di marcatura potenziali siti di stimolazione. (A) Un primo metodo prevede il posizionamento di una griglia di marcatori su un'area mano a motore e prova di ciascun fino TMS produce l'effetto previsto. Questo approccio è comune per identificare un motore "hot spot" - cioè, il luogo in cui stimolazione produce il più forte, contrazione muscolare più affidabile (B) Un secondo metodo si applica ulteriori vincoli anatomici collocando un gruppo di marker entro un ben definito. regione del cervello. In questo esempio, la posizione dei tre marcatori è limitata alla regione anteriore della SMG. Il primo è individuared superiore alla cessazione del ramo posteriore ascendente della fessura Sylvian; la seconda è alla fine ventrale del SMG anteriore; e la terza è approssimativamente a metà strada tra gli altri due siti. Marker di stimolazione vengono visualizzati su un piano parasagittale di una risonanza magnetica individuo utilizzando il sistema stereotassia frameless. La barra della scala nera nell'angolo in basso a sinistra indica una distanza di 1 cm.

Figura 2
Figura 2. Tempi di reazione (RT) dall'insorgenza dello stimolo. (A) noTMS (barre chiare) e TMS (barre scure) le condizioni in tre compiti linguistiche diverse. (B) Cinque stimolazione condizioni di temporizzazione nel compito fonologico. Nell'esempio qui presentato, doppie impulsi sono stati consegnati sia a 40/80 msec, 80/120 msec, 120/160 msec, 160/200 msec, e 200/240 msec dopo stimolo esordio. The prima finestra temporale, 40/80 msec, è stato usato come una condizione di controllo di base perché le informazioni visive non era previsto per arrivare alla SMG che rapidamente. Le barre di errore rappresentano l'errore standard della media rettificato per riflettere correttamente entro i soggetti varianza 50. Il primo esperimento contiene dati provenienti da 12 partecipanti e il secondo da 32 partecipanti. * P <0,05.

Discussion

Questo articolo presenta un protocollo per valutare la causale e temporale coinvolgimento di regioni cerebrali nei processi cognitivi con TMS online. Questa discussione evidenzia i primi passaggi critici per la creazione di un protocollo TMS successo e poi le limitazioni che devono essere considerati quando si progetta un esperimento TMS.

Poiché protocolli TMS hanno un gran numero di parametri liberi, garantendo i parametri ottimali di stimolazione è una fase critica nella preparazione di un esperimento TMS. Normalmente, questo si ottiene tramite test pilota per determinare la frequenza di stimolazione, durata, intensità, inter-trial intervallo, e l'orientamento bobina necessaria per produrre effetti robusti. Per creare un efficace "lesione virtuale" la frequenza deve indurre un effetto robusto che copre una finestra temporale sufficientemente ampia da contenere il processo cognitivo di interesse. Come risultato, sia la frequenza e la durata variano attraverso studi. Analogamente, il & #8220; intensità di stimolazione giusta "è quella che assicura il campo magnetico influenza l'esecuzione neurale nella regione del cervello bersaglio e qui il fattore principale è la distanza dalla bobina al sito di stimolazione 51. Molti studi identificano l'intensità di stimolazione necessaria per produrre una risposta motoria quando stimolando la zona mano di corteccia motoria primaria e utilizzare questo per normalizzare intensità di tutti i partecipanti 52,53-55. Questa misura, tuttavia, non è un indice affidabile della intensità ottimale per le zone non auto 42,51,56. Un'altra opzione è quella di utilizzare la stessa intensità per tutti i partecipanti. L'intensità scelto deve essere efficaci in tutte le materie pilota, dopo aver sperimentato con una gamma di intensità di stimolazione. Inoltre, l'orientamento bobina è un parametro importante che richiede considerazione. L'orientamento bobina specifica interessa la distribuzione del campo elettrico indotto nella popolazione neuronale stimolato e pertanto può influenzare BehaVior. In generale, protocolli pubblicati possono fornire un punto di partenza che è iterativamente modificato durante il test pilota secondo l'esperimento specifico. Spesso, tuttavia, le informazioni su questo test pilota viene omesso dal manoscritto finale, che ha l'effetto perverso di nascondere alcuni aspetti chiave del processo di progettazione del protocollo.

La scelta di una procedura di localizzazione è anche essenziale per garantire che la stimolazione è somministrato al sito ottimale. Anche se molti studi hanno localizzato con successo siti di stimolazione utilizzando metodi basati anatomia, che colpiscono una singola posizione di tutti i singoli partecipanti 57,58, la personalizzazione del sito di stimolazione per ciascun soggetto riduce singolarmente tra i soggetti varianza nei risultati comportamentali che producono un metodo più efficiente 31. Qui abbiamo presentato una procedura di localizzazione funzionale a base di TMS che offre vantaggi rispetto localizzazione basati su fMRI. In particolare, si evita il problema delle diverse polarizzazioni spaziali siatra fMRI (cioè, drenante vene 59) e TMS (cioè, l'orientamento degli assoni all'interno del campo magnetico 6,60) che può provocare la stessa risposta neurale essendo localizzata in posizioni diverse. Inoltre, è noto che la posizione specifica di attivazione "picchi" in fMRI può variare considerevolmente, rendendoli sub-ottimale come TMS rivolge 55,61. Anche così, una varietà di differenti procedure di localizzazione sono dimostrabilmente efficaci, quindi la scelta specifica è meno importante che assicurare che qualsiasi metodo viene utilizzato, fornisce effetti riproducibili affidabili.

Anche se i dati sperimentali presentati qui usati tempi di reazione come la misura dipendente, ci sono molte altre opzioni disponibili. Per esempio, alcuni studi utilizzano precisione invece 9,12,62. In questi casi, la prestazione normale senza TMS è già al di sotto dei livelli del soffitto in modo che la perturbazione indotta dalla stimolazione si riflette nei punteggi di precisione.Altri studi hanno misurato gli effetti della stimolazione sui movimenti oculari 63,64. Esperimenti di neuroscienze cognitive più con TMS, tuttavia, utilizzano tempi di reazione come misura dipendente 13,48,65,66. Tipicamente, gli effetti sono dell'ordine di decine di msec, ovvero circa una variazione del 10% in tempi di reazione 67. Qualunque cosa dipende misura viene utilizzato deve essere robusto e coerente, in modo che cambiamenti relativamente piccoli possono essere facilmente osservati.

Come ogni tecnica sperimentale, TMS ha dei limiti importanti che devono essere considerati quando si sceglie questa metodologia. I più comuni sono: i) la risoluzione spaziale di TMS, ii) gli effetti non specifici associati con la stimolazione, e iii) aspetti di sicurezza della metodologia. Primo, TMS ha una limitata profondità di stimolazione perché il campo magnetico si riduce di intensità più lontano è dalla bobina. Di conseguenza, è più efficace a stimolare regioni cerebrali vicino scalpo (circa 2 - 3 cm) 68,69 69. TMS ha una risoluzione spaziale di circa 0,5 - 1 centimetro 47,70-72. Così, il metodo non può essere usato per studiare i contributi funzionali di strutture spaziali a grana fine come le colonne corticali.

Una seconda limitazione è che la stimolazione TMS presenta effetti collaterali sensoriali simultanee a causa del campo magnetico che cambia rapidamente. In particolare, ogni impulso magnetico è accompagnato da un click uditivo e una sensazione di intercettazioni. Pertanto TMS può essere inappropriato per taluni esperimenti uditivi o somatosensoriali in cui tali effetti collaterali possono interferire con le prestazioni compito. Si noti, tuttavia, che TMS online è stato utilizzato con successo in alcuni esperimenti uditivi 73,74 75,76. Perché queste differenze portale possono indurre confonde sperimentali, è importante utilizzare un sito di controllo con simili effetti collaterali al sito principale, come omologhi controlaterali 77 o includere il controllo condizioni / attività che non sfruttare il processo di interessi 24,62 , 73,78,79.

Infine, le considerazioni di sicurezza devono sempre essere presi in considerazione durante la progettazione di esperimenti TMS in quanto può potenzialmente indurre sincope e convulsioni 27. Per minimizzare questo rischio, le linee guida riconosciute a livello internazionale per intensità di stimolazione, frequenza e durata Exists, nonché per il numero totale di impulsi e gli intervalli inter-trial 27,28. I protocolli che rimangono all'interno di queste linee guida sono da ritenersi sicuri per neurologicamente normali partecipanti. Vale la pena notare, tuttavia, che questi sono ancora incompleta e che sono introdotti protocolli spesso nuovi TMS che dimostrano anche sicuro. In generale, l'evidenza suggerisce che quando sono seguite le linee guida pubblicate, TMS è una procedura sicura e senza effetti collaterali pericolosi. Una conseguenza di questi limiti, tuttavia, è che spesso necessario regolare prima di poter essere usato con TMS protocolli comportamentali. Ciò ha implicazioni per diversi aspetti del progetto, tra cui la durata dell'esperimento, numero di prove, il numero di condizioni e siti di stimolazione che possono essere testati. Alcune di queste limitazioni possono essere superate suddividendo l'esperimento in sessioni separate come testando diversi siti di stimolazione in giorni diversi. In tali casi, è importante garantire che la localizzazionee il test di un sito sono fatto all'interno della stessa sessione. Questo minimizza varianza sperimentale massimizzando l'accuratezza di targeting. Nel decidere se utilizzare una o più sessioni di test, il limite fondamentale è la sicurezza del partecipante - specificamente, la quantità di stimolazione che è sicuro in una singola sessione. La stimolazione globale prevede familiarizzazione, la pratica, la localizzazione (se si utilizza TMS), e test, potenzialmente su più siti, e dipende essenzialmente dal numero di prove per ogni condizione. Qualora questa cifra supera le linee guida per una singola sessione, è necessario rompere l'esperimento in più sessioni, condotta da un minimo di 24 ore di distanza. Non vi sono regole difficili e veloci per quanto riguarda il numero minimo di prove necessarie per gli esperimenti TMS, ma come ogni esperimento, questi possono essere calcolate utilizzando calcoli di potenza standard, basati sulla dimensione dell'effetto, varianza, a livello α (tipicamente 0,05) e desiderati sensibilità. Spesso le stime ragionevoli dila dimensione e la varianza effetto sono disponibili a causa del fatto numerosi test pilota per ottimizzare il protocollo sperimentale.

In sintesi, TMS è diventato uno strumento importante con ampie applicazioni per le neuroscienze cognitive. Questo articolo fornisce un protocollo di base per la linea TMS in combinazione con un compito comportamentale per indagare le relazioni causali del cervello-comportamentale, sia in modalità "lesione virtuale" e anche uno strumento cronometrico per esplorare le dinamiche temporali di specifici per ogni regione elaborazione delle informazioni neurale.

Disclosures

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari in competizione.

Acknowledgments

Gli autori non hanno riconoscimenti.

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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Stimolazione Magnetica Transcranica per indagare le relazioni causali Brain-comportamentali e la loro Corso di Tempo
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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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