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Behavior

원인이되는 뇌 - 행동의 관계와 자신의 시간 과정을 조사하기위한 경 두개 자기 자극

doi: 10.3791/51735 Published: July 18, 2014

Summary

경 두개 자기 자극 (TMS)을 비 침습적 신경 정보 처리를 중단하고 동작에 대한 영향을 측정하기위한 기술이다. TMS가 작업을 방해하는 경우도 자극 뇌 영역이 하나의 체계적인지 기능에 뇌 영역을 관련 있도록 정상적인 작업의 성능을 위해 필요하다는 것을 나타낸다.

Abstract

작업 성능을 방해 경 두개 자기 자극 (TMS)을 단명 생성 일시적 뇌 영역에서 정보 처리를 중단하기 위해 강한 전자석을 사용하는 안전하고, 비 침습적 뇌 자극 기법 "가상 병변."자극 나타내고 영향을받는 뇌 영역은 일반적으로 작업을 수행 할 필요가있다. 즉, 뇌와 행동 사이의 상관 관계를 나타내는 그러한 기능성 자기 공명 영상 (fMRI) 등의 뇌 영상 방법과는 달리, TMS는 인과 뇌 동작 관계를 설명하기 위해 사용될 수있다. 또한, 가상 병변의 재생 시간 및 개시를 변화시킴으로써, TMS는 정상 처리의 시간 코스를 밝힐 수있다. 그 결과, TMS는인지 신경 과학에서 중요한 도구가되고있다. 병변 결핍 이상의 연구 기법의 이점은 분열 효과를보다 효율적 시공간 정밀도 자신 공동으로 참가자를 사용할 수있는 능력을 포함ntrol의 주제, 참가자의 접근성. 제한 동시 청각 및 체성 감각 자극 작업 성능에 영향을 미칠 수있다, 더 많은 두피의 표면에서 몇 센티미터 이상의 구조에 제한된 액세스 및 작업 실험의 순서를 최적화 할 필요가없는 매개 변수의 상대적으로 큰 공간이 (가) 있습니다. 적절한 제어 조건을 충분히 고려하고 실험 설계는 이러한 문제를 해결하는 데 도움이됩니다. 이 문서 읽기에 왼쪽 supramarginal 이랑 (SMG)의 공간과 시간 기여를 조사 TMS 결과와 이러한 문제를 보여줍니다.

Introduction

경 두개 자기 자극 (TMS)은 뇌 자극에 사용되는 안전하고 비 침습적 인 도구입니다. 이는 강한을 생성하도록 전도성 코일 사이 급변 전류를 사용하지만, 비교적 국소 자기장. 두피에 도포 할 때, 자기장이 일시적으로 로컬 피질 정보 처리를 방해, 내부 뇌 조직에서 전기적 활성도를 유도한다. 이 과도 간섭을 효율적으로 짧은 지속 "가상 병변"1, 2를 만듭니다. 이 기술은 원인이되는 뇌 - 행동 추론을 그리기 및 건강한 성인 및 신경 환자 모두에서 온라인으로 신경 정보 처리의 시간적 역학 조사에 대한 비 침습적 인 방법을 제공합니다.

선택적으로 지역적으로 특정 대뇌 피질의 처리를 방해하여, TMS는 뇌 영역과 특정 동작 3,4 사이의 인과 관계 링크를 그릴 수 있습니다. 크게 대뇌 피질의 영역을 자극하는 경우 즉,적절한 제어 조건 태스크 등락 영향이 자극 면적이 정상적으로 작업을 수행 할 필요가 있음을 나타낸다. 이 종류의 인과 관계 추론은 기능성 자기 공명 영상 (fMRI)이나 양전자 방출 단층 촬영 (PET) 등 뇌 영상 방법에 비해 TMS의 주요 장점 중 하나입니다. 신경 활동을 측정하고 행동과의 상관 관계를 뇌 영상 기술과는 달리, TMS는 신경 정보 처리를 교란과 행동에 미치는 영향을 측정 할 수있는 기회를 제공합니다. 이러한 의미에서, 그것은 기존의 병변 결핍이 그 TMS는 비 침습적이며, 효과가 일시적이고 가역적 제외하고 뇌 손상 환자의 분석을 더 같습니다. TMS는 병변의 연구에 비해 몇 가지 장점을 가지고있다. 예를 들어, 자극의 효과는 일반적으로 종종 크고 환자간에 매우 다양 자연적으로 발생하는 병변, 공간적으로보다 정확하다. 또한, 참가자들은 자신의 제어, thereb로서 사용될 수있다Y는 환자군과 대조군 사이에 사전 병적 인 능력의 잠재적 차이의 문제를 피하는. 마지막으로, 기능 개편 복구 프로세스가 결과 5를 혼동 할 가능성이 있다는 것을 의미 TMS 동안 자리를 대신 할 충분한 시간이있다. 즉, TMS는 기능적 뇌 영상과 같은 상관 기술을 보완 인과 뇌 동작 관계를 조사하기위한 강력한 도구를 제공한다.

TMS는 자극의 매우 짧은 버스트를 사용하여 자극 (6)의 발병을 변화시킴으로써 신경 정보 처리의 시간 경과를 조사하는데 사용될 수있다. 일반적으로이 시험 내에서 서로 다른 시점에서 지역에 전달되는 단일 또는 이중 펄스 TMS 중 하나를 포함한다. 개인 TMS 펄스의 효과가 즉시 발생하고 어딘가 사이에 5, 40 ~ 10 밀리 초를 지속하고 있기 때문에,이는 온세을 포함한 지역의 연결 활동의 시간적 역학을 매핑하는 연구원 수T, 기간, 11, 12, 오프셋. 이 혼란의 지속 시간은 밀리의 10 초, 뇌파 (EEG)와 인 자기 (MEG) 이상 크기의 거친 대략 주문에 기술의 시간 해상도를 제한합니다. 한편, TMS 크로노 연구에서 관찰 타이밍 EEG와 MEG 9,13보다 침습적 신경 생리 학적 기록에서 일치하는 경향이있다. EEG와 MEG 활동 (14)의 초기 발병 뒤쳐 대규모의 연결 동기 성을 측정하기 때문에 아마도이입니다. 크로노 미터 TMS는 지역 시간적 역학에 대한뿐만 아니라 주어진 문제에 대한 지역의 필요성에 대한 중요한 정보를 제공 할뿐만 아니라 반면 또한,의 fMRI와 PET와 같은 EEG와 MEG는 뇌 전체 활동의 상관 관계를 측정합니다.

TMS는 원래 모터 시스템 (15)의 생리를 조사하기 위해 개발되었지만, 그것은 신속하게 cogniti위한 유용한 도구로 채택되었다신경 과학을했습니다. "가상 병변"기술로서 초기의 용도 중 하나는 왼쪽 하부 전두엽 피질 16-18을 자극하여 음성 체포를 유도하는 것이 었습니다. 결과는 음성 생산 브로카 영역의 중요성을 확인하고 신경 외과 개입 16,19 이후에 언어의 지배력을 결정하는 와다 테스트에 잠재적 인 대안을 제안했다. 이제 TMS는주의 (20), 메모리 (21), 영상 처리 (22), 행동 계획 (23, 24) 의사 결정 및 언어 처리 (25) 등의인지 신경 과학의 거의 모든 분야에서 사용된다. 일반적으로 TMS는 뇌와 행동 3,4 사이의 인과 관계의 지표로 간주됩니다 둘 다, 증가 오류율 또는 느린 반응 시간 (RTS) 중 하나를 유도한다. 일부 연구는 모두 가상 병변 모드와 크로노 미터 도구로 TMS를​​ 사용합니다. 예를 들어, 투수와 동료 (11)는 처음으로 보여 주었다 반복 TMS후두부의 얼굴 영역에 전달 (RTMS)이 정확 얼굴 차별을 중단 한 후 TMS는 초기에이 특정 뇌 영역이 얼굴 부분의 정보를 처리하는 시연, 60 및 100 밀리 초에 전달했을 때이 효과는 존재하는지 결정하기 위해 크로노 미터 TMS를​​ 사용 얼굴 인식의 단계. 여기에 언급 된 모든 예에서, TMS 투여 TMS의 효과는 즉각적이고 짧은 수 있도록 "온라인", 즉, 과제 수행 기간 동안 (즉, 효과가 오래 자극의 지속 시간 지속) 살았다. 이 작업을 시작하기 전에 저주파 자극 (21)의 긴 실행 또는 패턴의 자극 (26)의 짧은 버스트 하나를 포함한다 "오프라인"TMS과 대조를 이룹니다. 오프 라인에서 마지막으로 잘 TMS 응용 프로그램 자체의 길이가 넘는 효과를 TMS. 이 문서는 "온라인"접근 방식에 독점적으로 초점을 맞추고 있습니다.

어떤 TMS 전자를 준비하는 초기 단계xperiment는 자극 프로토콜을 식별하고 지역화 방법을 선택 있습니다. 자극 매개 변수는 강도, 빈도 및 TMS의 기간을 포함하고 국제적으로 정의 된 안전 요구 사항 (27, 28)에 의해 제한된다. 각 TMS 실험은 또한 위치 결정을위한 최적 위치 파악 절차를 요구하고 자극 사이트 위에 정확하게 코일을 배향. 20 현지화 시스템 (30),하지만, 일반적으로 각 개별 참가자 (31)에 정의됩니다 - 현지화 표준 공간을 기반으로 할 수 있습니다 29 또는 10를 조정합니다. 후자의 경우, 기능의 fMRI (33)를 사용하거나 기능적으로 TMS (34)를 사용하여 지역화 지역화 개인의 해부학 (32)을 기준으로 대상 자극을 포함 많은 옵션이있다. 여기에 제시된 프로토콜은 온라인 TMS 실험에 대한 일반적인 프로토콜의 일부로서 TMS와 기능 지역화를 옹호한다. 그런 예시적인 예는 TMS를​​ 사용하는 방법의 제시독서의 음운 처리에 왼쪽 supramarginal 이랑 (SMG)의 기능 기여를 조사.

Protocol

이 프로토콜은 신경 학적으로 정상적인 인간 자원 봉사자의 비 침습 뇌 자극에 대한 UCL 윤리 심의위원회 (# 249 / 001)에 의해 승인되었다.

1. TMS 프로토콜을 만들기

인지 신경 과학의 거의 모든 TMS 실험은 그림 8 자 모양의 코일과 함께 BI-phasic 자극을 사용합니다. 이 펄스들의 쾌속 전달하는 기능을 제공한다 (> 1 헤르쯔)와 가능한 한 정확하게 피질 사이트를 표적으로한다. 이는 모노 - phasic 자극 (35) 또는 다른 코일 형 (36)을 사용하는 것이 가능하지만, 여기에 표준 구성이 적용되었다.

  1. 자극의 주파수와 시간을 선택합니다.
    참고 :인지 신경 과학의 일반적인 선택은 자극 37-40의 발병에서 500 밀리 초 10 Hz에서 자극을 사용하는 것입니다.
  2. 광범위한 파일럿 테스트에 따라 강도의 레벨을 선택합니다. 참가자에 걸쳐이 일정 잡고.
    참고 : 장비 U를 위해최대 자극기 출력 11,41-44 70 % - SED 여기서, 일반적으로 사용되는 농도는 50 사이의 범위.
  3. 간 시험 간격을 선택합니다. 5 초 27,45 - 실용과 안전 두 가지 이유를 들어, 3의 최소에 의해 자극 시험을 구분합니다.

2. 헤드에게 등록을 수행

  1. 이전 TMS에 대한 별도의 세션에서 각 참가자를 스캔, 고해상도, T1-가중 해부학 적 자기 공명 영상 (MRI)을 취득. 2.3 단계에서 사용되는 이미지의 기준점이 (가) 있습니다.
  2. 각 참가자의 자극 위치의 정확한 타겟팅을 가능하게 TMS 세션 전에 프레임이없는 정위 시스템에 스캔을로드합니다. 실험의 시작 부분의 머리에 자극 위치를 마크 또는 실험을하는 동안 계속해서 모니터링한다.
  3. 참가자의 이미지에 네 개의 기준점을 표시합니다. 일반적으로 이러한 코끝, 콧날 및하지를 포함각 귀의 이주 위를 ch.
  4. 그 실험에 참여하는 동의를 제공하기 위해서는 TMS에 대한 참가자의 정보를 제공합니다.
  5. 기관 검토위원회의 승인을받은 TMS 스크린 보호 양식을 작성하기 위해 참가자를 부탁드립니다.
    참고 : TMS 영구 모순은 간질의 개인 또는 가족의 역사, 신경 또는 정신 문제의 임상 병력, 또는 심장 박동기 나 인공 와우 이식 등의 의료 기기를 포함한다. 다음되지 TMS 안전 요구 사항은 잠재적으로 실신과 발작을 유도 할 수있다.
  6. 참가자의 머리에 피사체 추적을 놓고; 기준점을 측정 할 때 기준 역할을합니다. 정위 시스템과 함께 제공되는 포인터로 피사체의 머리에 각 기준점을 터치하고 컴퓨터에 해당하는 좌표를 저장합니다. MRI 이미지와 함께 피사체의 머리를 보정합니다. 등록 및 반복의 품질을 확인프로세스 필요한 경우.
  7. 코일 방전의 소리를 감쇠 및 참가자의 심리 (46)에 손상을 방지하기 위해 자극시 귀마개를 착용하는 참가자를 부탁드립니다.
  8. 섹션 1에서 선택한 내용에 따라 TMS 시스템을 설정합니다.
  9. 참가자는 그 감각에 익숙하고 잘 관대되어 있는지 확인하기 위해 테스트하기 전에 자극에 참가자를 소개합니다. 먼저 연구자의 팔에 자극을 입증하고 감각이있는 사람을 적응하는 참가자의 팔에.
    NOTE : 이것은 처음 TMS 발생하는 참가자에게 특히 중요하다.
  10. 감각과 시험의 각 사이트에 자극 프로토콜은 서로 다른 위치에서 다를 수 있습니다 보여줍니다. 무테 정위 시스템에 의해 식별 된 제 사이트에 코일을 배치 코일 두피 및 최대 자속 선 세인트 교차 접선 이도록imulated 사이트.
    참고 : 자극은 때때로 얼굴 신경이나 근육에 영향을 미치는하고 참가자가 잘 관대 여부를 테스트하는 것이 중요합니다, 그래서 불편으로 이어질 수 있습니다.

3. 기능 현지화를 수행

  1. 각 참가자로 지정하여 자극의 사이트를 최적화합니다. 참가자의 구조 이미지에 관심있는 뇌 영역 내에서 몇 가지 잠재적 인 자극의 위치를​​ 표시합니다. 그리드 또는 해부학 적 표시 (그림 1)를 사용하여 TMS (47)의 공간 해상도를 제공 서로 목표 10mm 이상을 찾습니다.
  2. 관심의인지 기능에 도청 및 측정 가능한 행동 (예를 들면, 반응 시간, 정확성, 눈의 움직임)가 지역화 작업을 선택합니다. 가능한 사이트를 테스트 할 때 작업을 여러 번 반복과 자극의 일정한 반복을 방지하기 위해 작업의 다른 버전을 만들 수 있습니다.
  3. 참가자가없이 작업을 연습 할 수자극 그들이 편안 때까지. 그런 다음 참가자는 자극에 의​​해 산만하지 않고 작업을 수행하는 데 사용됩니다 있도록 시험의 50 %에 표시 TMS와 두 번째 연습 세션을 무작위로 (또는 의사 무작위로) 소개합니다.
  4. 테스트 사이트를 선택하고 지역화 작업의 한 버전을 실행합니다. 직후 자극이 성능에 영향을 여부를 확인하기 위해 결과를 확인.
    참고 : 대부분의 경우, "잘못된"사이트를 자극하는 것은 사실 때문에 클릭을 듣고 두피에 자극의 감각을 느낌으로 인해이 경우 간 감각 촉진 2없이 자극에 대해 반응을 촉진 할 것이다. 또한, 자극 (즉, 100 밀리 초)의 큰 효과는 종종 인공적하고 다시 테스트를 필요로합니다. 그들은 복제하고, 특히 테스트 사이트에 고유 한 경우, 그들은 진짜 효과가있을 수 있습니다. localiz에 자신감을 T​​MS 효과의 강력한 조치를 선택해야합니다ATION.
  5. 아무런 효과가 관찰되지 않으면, 새로운 테스트 사이트를 선택하고 반복 그렇지 않으면 복제 여부를 결정하기 위하여 다시 같은 사이트를 테스트. 이것은 비 특이 TMS 효과를 나타내는 것 같이 그렇지 모두 효과를 않도록 백투백 동일한 세션에서 다수의 사이트를 테스트한다. 사이트가 참가자에 걸쳐 자극하는 순서를 상쇄.

4. 주요 업무

  1. 현지화 한 후 같은 세션에서, 기능적으로 지역화 된 대상 사이트를 사용하여 주 실험을 실행합니다.
    참고 :이 지역화에 사용되는 하나 그러나 관심의 핵심 프로세스를 공유 하나에 서로 다른 작업을 포함 할 것이다. 예를 들어, 운율 판정 태스크 동음 판정 작업의 대부분 실험에 사용할 수도 있지만 단어의 소리 처리에 민감한 영역 지역화를 위해 사용될 수있다. 이 예에서, 두 작업 쓰여진 단어의 음운 처리를 요구하면서도 특정 작업 요구와 stimu리는 다릅니다.
  2. TMS의 비 특정 효과를 배제하기에 충분한 제어 조건을 포함합니다.
  3. 처리 기능 특이성을 보여주기 위해 그 과정을 포함하지 않는 관리 작업에 같은 사이트를 테스트합니다.
  4. 효과의 해부학 적 특이성을 설명하는 주요 업무에 다른 사이트를 테스트합니다.
  5. 이러한 가짜 TMS, 제어 자극, 또는 여러 시간 윈도우와 같은 추가 제어 조건을 포함합니다.
  6. 동일한 TMS 지역화 중에 사용되는 파라미터 (예를 들어, 강도, 주파수 및 자극의 지속 기간)을 이용하여 기존의 "가상 병변"실험을 실시한다. 크로노 미터 TMS 실험의 경우, 동일한 강도를 사용하지만 서로 다른 발병 지연에 제공 한 48 또는 더블 펄스 (49) 중 하나에 의해 현지화 동안 사용되는 펄스의 기차를 교체합니다.

Representative Results

도 2는 예로서 언급이 TMS 실험의 결과를 나타낸다. 즉, 첫 번째 왼쪽 SMG가 두 번째이 참여의 시간적 역학을 조사하는 동안 단어의 소리를 처리에서 인과 적으로 관여 여부를 조사 하였다. 그림 2A는 첫 번째 실험의 대표적인 결과를 보여줍니다 곳 RTMS (10 Hz에서, 5 펄스의 55 % 최대 강도)는 세 가지 작업 중 SMG에 전달했다. 의미 론적 작업 ( "이 두 단어는 같은 뜻합니까? 아이디어 - 개념을") 그 의미에 초점을 맞춘 반면, 음운 작업 ( "이 두 단어가 같은 소리를합니까? 알고 코를") 단어의 소리에주의를 집중했다. 제 3 제어 작업은 자음 문자 문자열의 쌍을 제시하고 그들이 ( "wsrft-wsrft") 동일했다 여부를 물었다. 각 작업은 100 시험으로 구성되었다. 결과는 TMS가 훨씬 더 stimulatio에 RTS 상대적으로 증가 된 것을 보여 주었다N 37 밀리의 평균에 의해 음운 작업에. 대조적으로, SMG 자극 론적 또는 직교 제어 작업의 RTS에 유의 한 영향을 미치지 않았다. 즉, 왼쪽 SMG의 "가상 병변"은 선택적 기록 워드 (44)의 측면 음운 처리에서 SMG의 필요성을 나타내는 단어의 소리를 처리 방해.

그림 2b는 SMG 내에서 음운 처리의 시간 코스를 탐험하는 크로노 미터 실험의 대표적인 결과를 보여줍니다. 여기, 두 펄스 TMS는 각 테스트 서로 다른 시간의 창 다섯 동일한 블록으로 분할 (100) 시험과 같은 음운 작업하는 동안 자극 발병 후 5 서로 다른 시간의 창에 전달했다. 기준선 조건 (80분의 40 밀리 초)에 비해, RTS의 상당한 증가는 TMS가 자극의 발병 후에 120분의 80, 160분의 120 및 200분의 160 밀리 전달되었을 때 관찰되었다. 이러한 결과는 SMG가 engag했다 시연ED는 80, 200 밀리 초 후 자극 발병 사이의 음운 처리에 초기와 음운 처리 44에 지속적인 참여를 모두 나타낸다.

그림 1
도 1. 잠재적 자극 위치를 마킹의 두 가지 일반적인 방법. (A) 첫 번째 방법은 손 운동 영역 위에 마커의 격자를 배치하고 TMS는 예상 된 효과를 생성 할 때까지 각각의 테스트를 포함한다. 이 방법은 모터 "핫 스팟"을 확인하는 것이 일반적입니다 - 즉, 자극이 강한, 가장 신뢰할 수있는 근육 수축을 생성하는 곳입니다 (B) 두 번째 방법은 잘 정의 된 내 마커 세트를 배치하여 추가 해부학 적 제약에 적용됩니다. 뇌 영역. 이 예에서, 3 개의 마커의 위치는 SMG의 전방 영역에 제한된다. 첫 번째의 위치이며실비 열구의 후방 상승 무스의 종료에 D 우수한; 두 번째는 전방 SMG의 복부 끝에; 세번째는 반이 다른 사이트간에 대략이다. 자극 마커는 프레임없는 정위 시스템을 사용하여 개별 MRI 스캔의 parasagittal 비행기에 표시됩니다. 왼쪽 하단 모서리에 검은 색 눈금 막대 1 cm의 거리를 나타냅니다.

그림 2
그림 2. 자극의 개시에서 반응 시간 (RTS). (A) noTMS (조명 막대)와 TMS (어두운 바) 세 가지 다른 언어로 작업의 상황. (B) 음운 작업의 5 자극 타이밍 조건. 여기에 제시된 예에서, 두 펄스는 80분의 40 밀리 초, 1백20분의 80 밀리 초, 160분의 120 밀리 초, 200분의 160 밀리 초 및 240분의 200 밀리 포스트 자극 증상 중 하나에 전달했다. 일시각 정보가 급속하게 SMG에 도달 할 것으로 예상되지 않기 때문에 전자 처음 창 80분의 40 밀리는 기준선 제어 조건으로서 사용 하였다. 오차 막대가 제대로 피험자 내 분산 (50)를 반영하여 조정 평균의 표준 오차를 나타냅니다. 첫 번째 실험은 12 참가자와 32 참가자의 두 번째의 데이터가 포함되어 있습니다. * P <0.05.

Discussion

이 문서는 온라인으로 TMS를​​ 사용하여인지 과정의 인과 관계 및 뇌 영역의 시간적인 참여를 평가하기위한 프로토콜을 제공합니다. 이러한 논의는 제 중요한 성공적인 TMS 프로토콜을 만드는 단계와 TMS 실험을 설계 할 때 고려해야 할 제약을 강조한다.

TMS 프로토콜이 최적의 자극 파라미터를 보장 자유로운 파라미터의 수가 많은 것은 때문에 TMS 실험 제조에 중요한 단계이다. 정상적으로, 이것은 자극 빈도, 기간, 강도 및 간 시험 간격 및 강력한 효과를 생성하기 위해 필요한 코일의 방향을 결정하기 위해 광범위한 파일럿 테스트를 통해 달성된다. 효과적인 "가상 병변을"만들려면 주파수는 관심의인지 과정을 포함 할 수있는 충분히 큰 시간 창을 커버하는 강력한 효과를 유도해야합니다. 결과적으로, 주파수 및 기간 모두가 연구에 걸쳐 변화한다. 마찬가지로, & #8220; 오른쪽 "자극 강도는 자기장이 타겟 뇌 영역에서의 신경 처리에 영향을 미치고 여기 주요 인자 자극 사이트 (51)에 코일로부터의 거리를 보장 하나이다. 많은 연구는 일차 운동 피질의 핸드 영역을 자극하면 모터 응답을 생성하고 참가자 52,53-55 걸쳐 강도를 정규화하도록 이것을 사용할 필요가 자극의 강도를 식별한다. 이 측정 값은, 그러나, 비 모터 구역 42,51,56위한 최적의 강도의 신뢰성 지수 아니다. 또 다른 옵션은 모든 참가자에 대해 동일한 강도를 사용하는 것이다. 선택된 강도는 자극 강도의 범위와 실험 후 모든 시험 과목에 걸쳐 효과가 있어야한다. 또한, 코일 방향 고려를 필요로하는 중요한 파라미터이다. 특정 코일 배향 자극 신경 집단 내에 유도 전계의 분포에 영향을 미치고, 따라서 BEHA 영향을 미칠 수있다vior. 일반적으로, 발행 프로토콜은 반복적 구체적인 실험 맞게 파일럿 테스트 동안 수정되는 시작점을 제공 할 수있다. 그러나, 종종이 파일럿 테스트에 대한 자세한 내용은 프로토콜 설계 과정의 몇 가지 주요 측면을 숨기는 불행한 영향을 최종 원고에서 생략된다.

현지화 과정을 선택하면 그 자극이 최적의 사이트에 관리되어 있는지 확인하는 것도 필수적이다. 많은 연구가 성공적으로 각 주제에 대한 자극의 사이트를 사용자 정의, 개인 참가자 57, 58에서 하나의 위치를 대상으로 해부학 기반 방법을 사용하여 자극 사이트를 지역화하고 있지만 개별적 사이에 피사체보다 효율적인 방법 (31)를 산출 행동 결과에 분산 감소시킨다. 여기에서 우리는 fMRI를 기반으로 현지화를 통해 이점을 제공하는 TMS 기반 기능을 현지화 절차를 제시 하였다. 구체적으로는, 서로 다른 바이어스 공간의 문제를 피할 수있을사이의 fMRI (즉, 배출 정맥 59)와 TMS (즉, 자기장 6,60 내 축색 돌기의 방향) 다른 위치로 로컬 라이즈되고 같은 신경 반응의 원인이 될 수 있습니다. 또, 잘의 fMRI에 활성화 "피크"의 특정 위치가 그들 차선 TMS는 55,61을 대상으로 만들고, 상당히 다양 할 수 있다고 알려져있다. 그럼에도 불구하고, 다른 현지화 절차의 다양한 명백히 효과적이다, 그래서 특정한 선택은 어떤 방법은 사용되는 것을 보장하는 신뢰성, 재현성 효과를 제공하는 것이 더 중요하다.

실험 데이터는 여기에 제시된 따라 조치로 반응 시간을 사용하지만, 사용할 수있는 여러 가지 다른 옵션이 있습니다. 예를 들어, 일부 연구를 대신 9,12,62 정확도를 사용한다. 이러한 경우, TMS없이 정상 성능 정도로 자극에 의​​해 유도되는 방해가 정확도 점수에 반영되어 천장 수준 이하 이미.다른 연구는 안구 운동 63, 64에 대한 자극의 효과를 측정했다. TMS 대부분의인지 신경 과학 실험은, 그러나, 자신의 의존 측정 13,48,65,66으로 반응 시간을 사용합니다. 일반적으로, 효과는 수십 밀리 초, 또는 반응 시간 (67)에서 대략 10 %의 변화의 정도이다. 상대적으로 작은 변화를 쉽게 관찰 할 수 있도록 사용됩니다 따라 어떤 조치 강력하고 일관성이 있어야합니다.

모든 실험 기술과 마찬가지로, TMS는이 방법을 선택할 때 고려해야 할 중요한 제한 사항이 있습니다. 가장 일반적인 것들입니다 : I) TMS의 공간 해상도는 1, 2) 비 특정 효과는 자극과 연관 III) 안전 측면 방법론. 자기장이 더 멀리는 코일에서입니다 강도가 감소하기 때문에 첫째, TMS 자극의 깊이 제한하고있다. 진다면, - 그 결과, (3 CM ~ 2) 두피 근처 뇌 영역을 자극하는 데 가장 효과적인 69과 같은 더 깊은 영역에 도달하기 위해 개발되고 있지만, 그 결과, TMS에 직접 액세스 할 수있는 유일한 영역은 피질 맨틀에 한정된다. 1cm 47,70-72 - TMS는 약 0.5의 공간 해상도를 가지고 있습니다. 따라서, 방법은 피질골 열과 같은 세밀한 공간적 구조에서 기능적 포스팅을 조사하기 위해 사용될 수 없다.

TMS의 두번째 제한은 자극이 급격히 변화하는 자기장의 결과로서 동시 감각 부작용을 도입한다는 것이다. 특히, 각각의 자기 펄스는 청각을 클릭하고 도청 감각을 동반한다. 따라서 TMS는 이러한 부작용이 작업의 성능을 방해 할 수있는 특정 청각 또는 체성 감각 실험에 부적합 할 수있다. 단, 해당 온라인 TMS 일부 청각 실험 73, 74에서 성공적으로 사용되어왔다 75, 76보다 큰 근육의 수축을 생산하고 있습니다. 이 사이트의 차이는 실험 혼동을 일으킬 수 있기 때문에, 이러한 반대측 상동 77 등 주요 사이트에 유사한 부작용과 제어 사이트 중 하나를 사용하거나 관심 24,62의 과정을 활용하지 않는 제어 조건 / 작업을 포함하는 것이 중요하다 , 73,78,79.

잠재적으로 실신과 발작 (27)를 유도 할 수로 TMS 실험을 설계 할 때 마지막으로, 안전 고려 사항은 항상 고려되어야한다. 이러한 위험을 최소화하기 위해, 자극의 강도, 빈도, 지속 시간에 대한 국제적으로 인정 된 가이드 라인은 EXISTS뿐만 아니라 펄스 및 간 간격 27,28 재판의 총 수에 대한. 이 가이드 라인 내에서 유지 프로토콜은 신경 학적으로 정상 참가자에 대한 안전 할 것으로 생각된다. 이들은 아직 불완전 종종 소설 TMS 프로토콜도 안전 증명이 도입되어 있다는 것을 주목해야한다. 일반적으로, 증거가 게시 지침을 준수 할 때, TMS는 위험한 부작용없이 안전한 절차입니다 것을 제안합니다. 이러한 제한의 결과 중 하나는, 그러나, 행동 프로토콜은 종종 TMS로 사용되기 전에 조절 될 필요가 있다는 것이다. 이 실험의 길이, 시험의 수, 테스트 할 수있는 조건과 자극이 사이트의 수를 포함하여 디자인의 여러 측면에 대해 영향을 미칠 수있다. 이러한 제한 중 일부는 다른 일에 다른 자극이 사이트를 테스트하는 별도의 세션으로 실험을 분할하여 극복 할 수있다. 이러한 경우, 그 지역화을 보장하는 것이 중요그리고 사이트의 테스트는 동일한 세션 내에서 수행된다. 이는 타겟팅의 정확도를 최대화함으로써 실험적 편차를 최소화한다. 구체적으로, 하나의 세션에서 안전한 자극의 양 - 하나 이상의 테스트 세션을 사용할지 여부를 결정할 때, 근본적인 한계는 참가자의 안전하다. 총 자극은 잠재적으로 여러 사이트에 걸쳐 친숙, 연습, 지역화 (TMS를 사용하는 경우), 및 테스트를 포함, 비판적 조건 별 시험의 수에 따라 달라집니다. 이 그림은 하나의 세션에 대한 가이드 라인을 초과하는 경우, 그것은 여러 세션에 실험을 중단 할 필요가 떨어져 24 시간의 최소를 실시했다. 이 TMS 실험에 필요한 시험의 최소 수에 관한 명확한 규칙은 없지만, 어떤 실험과 같이, 이들 효과의 크기, 분산, α 수준 (일반적으로 0.05)에 기초하여 기본 전력 계산을 이용하여 계산하고, 원하는 수 감도. 종종 합리적인 추정효과의 크기와 분산은 실험 프로토콜을 최적화하기 위해 수행 된 광범위한 파일럿 테스트의 결과로 사용할 수 있습니다.

요약하면, TMS는인지 신경 과학에 대한 폭 넓은 응용 프로그램과의 중요한 도구가되고있다. 이 문서에서는 "가상 병변"모드도 지역적으로 특정 신경 정보 처리의 시간적 역학을 탐험 크로노 미터 도구 모두 원인이 뇌 행동의 관계를 조사하기위한 행동 작업과 함께 온라인 TMS의 기본 프로토콜을 제공합니다.

Disclosures

저자는 더 경쟁 재정적 이익이 없다는 것을 선언합니다.

Acknowledgments

저자는 아직 승인이 없습니다.

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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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).
원인이되는 뇌 - 행동의 관계와 자신의 시간 과정을 조사하기위한 경 두개 자기 자극
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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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