Login processing...

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

Behavior

Transkranial magnetisk stimulering for Gransker årsaks Brain-atferdsrelasjoner og deres tid Course

doi: 10.3791/51735 Published: July 18, 2014

Summary

Transkranial magnetisk stimulering (TMS) er en teknikk for ikke-invasiv forstyrre nevrale informasjonsbehandling og måle dens effekt på atferd. Når TMS forstyrrer en oppgave, betyr det at stimulert hjernen regionen er nødvendig for normal oppgave ytelse, slik at man systematisk forholde hjernen til kognitive funksjoner.

Abstract

Transkranial magnetisk stimulering (TMS) er en trygg, ikke-invasiv hjernestimulering teknikk som bruker en sterk elektromagnet for å midlertidig forstyrre informasjonsbehandling i en hjerneregion, genererer en kortvarig "virtuell lesjon." Stimulering som forstyrrer utførelsen av oppgaver indikerer at den påvirkes hjerneregion som er nødvendig for å utføre oppgaven på vanlig måte. Med andre ord, i motsetning til Bildediagnostiske metoder som funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) som indikerer sammenhenger mellom hjerne og atferd, TMS kan brukes til å demonstrere kausale hjerne-atferd relasjoner. Videre, ved å variere varigheten og start av den virtuelle lesjon, TMS kan også avsløre tidsforløpet for normal bearbeiding. Som et resultat, har TMS blitt et viktig verktøy i kognitiv nevrovitenskap. Fordeler med teknikken lesjon-underskudd studier inkluderer bedre romlig-temporal presisjon av avbrudd effekt, muligheten til å bruke deltakerne som sin egen control fag, og tilgjengeligheten av deltakerne. Begrensninger omfatter samtidig auditive og somatosensory stimulering som kan påvirke aktiviteten ytelse, begrenset tilgang til strukturene mer enn noen få centimeter fra overflaten av hodebunnen, og den forholdsvis store mellomrom av frie parametere som må bli optimalisert for at eksperimentet for å fungere. Eksperimentelle design som gir en nøye vurdering til hensiktsmessige kontroll forhold bidra til å løse disse bekymringene. Denne artikkelen illustrerer disse problemene med TMS resultater som undersøker de romlige og tidsmessige bidrag fra venstre supramarginal gyrus (SMG) til å lese.

Introduction

Transkranial magnetisk stimulering (TMS) er et trygt og ikke-invasiv verktøy som brukes for hjernestimulering. Den bruker en rask endring av elektrisk strøm i et ledende spole til å generere en sterk, men relativt fokal-magnetfelt. Når påføres hodebunnen, induserer det magnetiske feltet elektriske aktiviteten i den underliggende hjernevev, midlertidig forstyrre lokal kortikale informasjonsbehandling. Denne forbigående forstyrrelser skaper effektivt en kortvarig "virtuell lesjon" 1,2. Denne teknikken gir en ikke-invasiv metode for å trekke kausale hjerne-atferd slutninger og undersøker de timelige dynamikken i online nevral informasjonsbehandling hos både friske voksne og nevrologiske pasienter.

Ved å selektivt forstyrre regionalt spesifikke kortikal prosessering, kan TMS brukes til å trekke kausale sammenhenger mellom hjerneregioner og spesiell oppførsel 3,4. Det vil si, hvis stimulere en cortical området betydeligpåvirker oppgaveytelse i forhold til hensiktsmessige kontrollforhold, indikerer dette at det stimuleres området er nødvendig for å utføre oppgaven normalt. Årsaks slutninger av denne typen er en av de store fordelene med TMS enn Bildediagnostiske metoder som funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) eller positronemisjonstomografi (PET). I motsetning til bildediagnostiske teknikker som måler hjerneaktiviteten og korrelerer det med atferd, tilbyr TMS muligheten til å forurolige nevral informasjonsbehandling og måle dens virkninger på atferd. I denne forstand, er det mer som tradisjonell lesjon-underskudd analyser hos pasienter med hjerneskade, bortsett fra at TMS er non-invasiv og effektene er midlertidige og reverserbare. TMS har også flere fordeler fremfor lesjon studier. For eksempel, virkningene av stimulering er generelt romlig presis enn naturlig forekommende lesjoner, som ofte er stor og varierer sterkt over pasienter. I tillegg kan deltakerne anvendes som sine egne kontroller, er dervedy unngå spørsmålet om mulige forskjeller i pre-morbide evner mellom pasienter og kontroller. Til slutt, det er for lite tid for funksjonell omorganisering skal skje i løpet av TMS, noe som betyr at rehabiliteringsprosesser er usannsynlig å forvirre resultatene fem. Med andre ord, TMS tilbyr et kraftig verktøy for å undersøke årsaks hjerne-atferd relasjoner som utfyller korrelative teknikker som funksjonell Bildediagnostiske.

TMS kan også brukes til å undersøke tidsforløpet av nevral informasjonsbehandling ved hjelp av meget korte utbrudd av stimulering og varierende utbruddet av stimulering 6.. Vanligvis innebærer dette enten en enkel eller dobbel puls TMS levert til en region på ulike tidspunkter i løpet av en prøveperiode. Fordi effekten av en individuell TMS puls skjer umiddelbart og varer et sted mellom 5 og 40 msek 7-10, gjør denne forskeren å kartlegge de timelige dynamikken i regionale neuronal aktivitet inkludert sin onset, varighet, og offset 11,12. Varigheten av denne forstyrrelsen begrenser tidsmessig oppløsning av teknikken til 10s msek, omtrent en størrelsesorden grovere enn elektroencefalografi (EEG) og magnetoencefalografi (MEG). På den annen side, tidsberegningen observert i kronometriske TMS studier har en tendens til å matche de fra invasive nevrofysiologiske opptak bedre enn EEG og MEG 9,13. Antagelig er dette fordi EEG og MEG måle storskala nevronale synkronitet som henger etter den tidligste utbruddet av aktivitet 14. I tillegg, som fMRI og PET, EEG og MEG er korrelative tiltak av hele hjerneaktiviteten mens kronometriske TMS kan ikke bare gi viktig informasjon om regionale time dynamikk, men også om nødvendigheten av regionen for en gitt atferd.

Selv om TMS ble opprinnelig utviklet for å undersøke fysiologi av motoriske system 15, ble det raskt vedtatt som et verdifullt verktøy for cognitive nevrovitenskap. En av de tidligste bruker som et "virtuelt lesjon" teknikken var å indusere arrest tale ved å stimulere den venstre underlegne frontal cortex 16-18. Resultatene bekreftet viktigheten av Brocas område for taleproduksjon og foreslo et potensielt alternativ til Wada-testing for å fastslå språket dominans senere til nevrokirurgiske inngrep 16,19. Nå TMS brukes i nær sagt alle områder av kognitiv nevrovitenskap inkludert oppmerksomhet 20, minnet 21, visuell prosessering 22, handlingsplaner 23, beslutnings 24, og språkbehandling 25. Vanligvis TMS induserer både økt feilrater eller tregere reaksjonstider (RTS), som begge er tatt som indikatorer på årsakssammenhengen mellom hjerne og atferd 3,4. Noen studier bruker TMS i både sin virtuelle lesjon modus og kan kronometriske verktøy. For eksempel, Pitcher og kolleger 11 første viste at repeterende TMS(RTMS) levert til occipital ansiktet området forstyrret nøyaktig ansikts diskriminering og deretter brukt kronometriske TMS å fastslå at denne effekten bare var til stede da TMS ble levert på 60 og 100 msek, viser at denne hjernen regionen behandler ansikt-del informasjon på et tidlig stadium av ansiktsgjenkjenning. I alle de her nevnte eksempler, er TMS administrert "on-line", dvs. ved utføring av oppgaver, slik at effekten av TMS er umiddelbar og kortvarig (dvs. virkningene vare så lenge som varigheten av stimuleringen). Dette står i kontrast til "off-line" TMS som innebærer enten lange kjøringer av lavfrekvent stimulering 21 eller korte støt med mønstrede stimulering 26 før du starter en oppgave. I off-line TMS virkningene siste brønnen utover varigheten av TMS programmet selv. Denne artikkelen fokuserer utelukkende på tilnærming "on-line".

De første trinnene i å forberede noe TMS eXperiment er identifisering av en stimulering protokollen og velge en lokaliseringsmetode. Stimulerings parametrene inkluderer intensitet, hyppighet og varighet av TMS og er begrenset av internasjonalt definerte sikkerhetskrav 27,28. Hver TMS forsøket krever også en egnet lokalisering fremgangsmåte for posisjonering og orientering av spolen nøyaktig over stimulering side. Lokalisering kan være basert på standard rom koordinatene 29 eller 10 - 20 lokalisering system 30, men vanligvis er tilpasset hver enkelt deltaker 31. For sistnevnte, er det mange alternativer som inkluderer målretting stimulering basert på den enkeltes anatomi 32, funksjonelt lokalisere ved hjelp av fMRI 33 eller funksjonelt lokalisere ved hjelp av TMS 34. Protokollen som presenteres her forfekter funksjonell lokalisering med TMS som en del av en generell protokoll for on-line TMS eksperimenter. Da et illustrerende eksempel er vist hvordan TMS kan benytteså undersøke funksjonelle bidrag fra venstre supramarginal gyrus (SMG) til fonologisk prosessering i lesing.

Protocol

Denne protokollen ble godkjent av UCL Etikk Review Board (# 249/001) for ikke-invasiv hjernestimulering av nevrologisk normale frivillige mennesker.

En. Opprett TMS-protokollen

Nesten alle TMS eksperimenter i kognitiv nevrovitenskap bruke tofasepillen stimulering i forbindelse med en figur-of-åtte formet spiral. Dette gir muligheten til å levere raske tog av pulser (> 1 Hz) og målrette en cortical området så presist som mulig. Det er mulig å bruke mono-fasisk stimulering 35 eller en annen spoleform 36, men her er den standard-konfigurasjon ble anvendt.

  1. Velg en frekvens og varighet av stimulering.
    MERK: En vanlig valg i kognitiv nevrovitenskap er å bruke 10 Hz stimulering for 500 msek fra starten av stimulans 37-40.
  2. Velg et intensitetsnivå basert på omfattende pilot testing. Hold det konstant over deltakerne.
    MERK: For utstyret used her, brukte intensitet varierer mellom 50 - 70% av maksimal stimulator utgang 11,41-44.
  3. Velg en inter-rettssaken intervall. For både praktiske og sikkerhetsmessige årsaker, skille stimuleringsforsøk med minimum 3 - 5 sek 27,45.

2. Utføre hode Registrering

  1. Få en høy oppløsning, T1-vektet anatomisk magnetic resonance imaging (MRI) skanner for hver deltaker på en egen sesjon før TMS. Inkluder fiducial punkter i bildet som skal brukes i trinn 2.3.
  2. Laste skanne inn i rammeløse stereotaxy systemet før TMS økt for å aktivere nøyaktig målretting av stimulerings nettsteder i hver deltaker. Mark stimulerings steder på hodet ved begynnelsen av forsøket, eller overvåke kontinuerlig gjennom hele forsøket.
  3. Markere fire fiducial punkter på deltakerens image. Vanligvis disse inkluderer tuppen av nesen, neseryggen, og ikkech over tragus av hvert øre.
  4. Gi deltakeren informasjon om TMS i orden for dem å gi informert samtykke til å delta i forsøket.
  5. Be deltakeren til å fullføre en TMS Safety Screen form som har blitt godkjent av Institutional Review Board.
    MERK: Permanente motsetninger til TMS inkluderer en personlig eller familie historie av epilepsi, en klinisk historie av nevrologiske eller psykiatriske problemer, eller implanterte medisinske enheter, for eksempel en pacemaker eller cochlea-implantater. Ikke etter TMS sikkerhetskrav kan potensielt indusere synkope og anfall.
  6. Plasser emnet tracker på deltakerens hode; det vil fungere som en referanse når du måler fiducial poeng. Trykk på hvert fiducial punkt på objektet hode med en peker som følger med stereotaxy system og lagre de tilsvarende koordinatene på datamaskinen. Kalibrere motivets hode med MR-bildet. Sjekk kvaliteten på registreringen og gjentaprosessen hvis det er nødvendig.
  7. Be deltakeren til å bruke ørepropper under stimulering for å dempe lyden av spolen utslipp og unngå skade på deltakernes hørsel 46.
  8. Sett opp TMS maskin i henhold til de valg som er gjort i § 1.
  9. Introduser deltakeren til stimulering før testing for å sikre at deltakeren blir kjent med sin følelse og tåler godt. Først demonstrere stimulering på forskerens arm og deretter på deltakerens armen for å akklimatisere personen med sensasjon.
    MERK: Dette er spesielt viktig for deltakere som opplever TMS for første gang.
  10. Vise stimulasjons-protokoll på hver av test områder som følelse kan være forskjellig på forskjellige steder. Plasser spolen på det første området som er identifisert av den rammeløse stereotaxy systemet slik at spolen er tangentiell til hodebunnen og linjen av den maksimale magnetiske fluks skjærer stimulated nettstedet.
    MERK: Stimulering noen ganger påvirker ansikts nerver og muskler, og kan føre til ubehag, så det er viktig å teste om deltakeren tåler det godt.

Tre. Utfør Funksjonell Lokalisering

  1. Optimalisere stimulering nettstedet ved å tilpasse det til hver deltaker. Merke flere potensielle stimulerings områder i hjernen regionen av interesse på deltakerens strukturelle bildet. Sted mål på minst 10 mm fra hverandre, gitt den romlige oppløsningen til TMS 47 ved hjelp av et gitter eller en anatomisk merking (figur 1).
  2. Velg en localizer oppgave som kraner inn i kognitiv funksjon av interesse og har en målbar atferd (f.eks reaksjonstid, nøyaktighet, øye-bevegelser). Gjenta oppgaven flere ganger når jeg tester de mulige områder og lage forskjellige versjoner av oppgaven for å unngå konstant repetisjon av stimuli.
  3. Tillate deltakeren å øve på oppgaven utenstimulering til de er komfortable med det. Deretter innføre et andre praksis økt med TMS tilfeldig (eller pseudo-tilfeldig) presentert på 50% av forsøkene, slik at deltakeren blir brukt til å utføre oppgaven uten å bli distrahert av stimulering.
  4. Velg en testside og kjøre en versjon av localizer oppgave. Umiddelbart etterpå sjekke resultatene for å se om stimulering påvirket ytelsen.
    MERK: I mange tilfeller vil stimulere en "feil" side faktisk rette svarene i forhold til ingen stimulering på grunn av inter-sensorisk tilrettelegging to, i dette tilfellet på grunn av å høre klikkene og føle følelsen av stimulering i hodebunnen. I tillegg, store effekter av stimulering (dvs. over 100 msek) er ofte kunstig og kreve ny testing. Hvis de kunne reprodusere og er spesifikke for en spesielt testing område, så de kan være ekte effekter. Pass på å velge en robust mål på en TMS effekt å være trygg i lokaliseasjon.
  5. Hvis ingen effekt er observert, velge en ny testside og gjenta, ellers teste det samme området igjen for å avgjøre om det gjentak. Test flere nettsteder back-to-back i samme økt for å sikre at de ikke alle produserer en effekt som dette skulle tilsi en uspesifikk TMS effekt. Motvekt slik at områder blir stimulert over deltakerne.

4. Hovedoppgave

  1. Etter lokalisering og i samme økt, kjøre hoved eksperiment ved hjelp av målområde som ble funksjonelt lokalisert.
    MERK: Dette vil innebære en annen oppgave på den som brukes i lokalisering, men en som deler nøkkel prosessen med interesse. For eksempel kan et rim dom oppgave brukes til å lokalisere et område følsom for behandling av lyden av ordene mens homonymet dom oppgaven kan bli brukt for hovedforsøket. I dette eksemplet, begge oppgavene krever fonologisk prosessering av skrevne ord, selv om den spesifikke oppgaven krav og stimulerteli forskjellig.
  2. Inkluder tilstrekkelig kontroll forhold for å utelukke uspesifikke effekter av TMS.
  3. Test samme sted på et kontroll oppgave som ikke omfatter prosessen av interesse å demonstrere funksjonelle spesifisitet for behandlingen.
  4. Test et helt annet sted på hovedoppgaven å demonstrere anatomisk spesifisitet av effekten.
  5. Inkludere flere kontroll forhold som humbug TMS, kontroll stimuli, eller flere tidsvinduer.
  6. Gjennomføre en tradisjonell "virtuell lesjon" eksperiment med de samme TMS parametrene som brukes i løpet av lokalisering (f.eks intensitet, frekvens og varighet av stimulering). For kronometriske TMS eksperiment, bruke samme intensitet, men erstatte tog av pulser brukes under lokalisering med enten en 48 eller dobbel puls 49 levert på forskjellige utbruddet ventetider.

Representative Results

Figur 2 viser resultatene av to forsøk TMS nevnt som eksempler. Nemlig den første undersøkt om igjen SMG er årsaks involvert i behandlingen lydene av ord mens den andre undersøkte tidsmessige dynamikken i dette engasjementet. Figur 2A viser representative resultatene av den første eksperiment der rTMS (10 Hz, 5 pulser, 55% av maksimal intensitet) ble levert til SMG i løpet av tre oppgaver. Den fonologiske oppgave fokusert oppmerksomhet på lydene av ord ("Har disse to ordene høres det samme? Vet-nese") mens den semantiske oppgaven fokusert på deres betydning ("Har disse to ordene betyr det samme? Idé-forestillingen"). En tredje kontroll oppgave present par konsonant brev strenger og spurte om de var identiske ("wsrft-wsrft"). Hver oppgave besto av 100 forsøk. Resultatene viste at TMS signifikant økt RT'er i forhold til ingen stimulation i det fonologiske oppgaven med et gjennomsnitt på 37 millisekunder. I kontrast, hadde SMG stimulering ingen signifikant effekt på RTs i de semantiske eller ortografiske kontrolloppgaver. Med andre ord, en "virtuell lesjon" i den venstre SMG selektivt hindret behandling av lyden av ord som indikerer nødvendigheten av SMG i behandlingen fonologiske aspekter av skrevne ord 44.

Figur 2B viser representative resultatene av kronometriske eksperiment utforske tiden løpet av fonologisk prosessering innenfor SMG. Her ble det dobbel puls TMS levert på fem ulike tidsvinduer etter stimulans utbruddet i samme fonologiske oppgave med 100 studier fordelt på fem like store blokker hver teste forskjellig tidsvinduet. Når sammenlignet med den opprinnelige tilstand (40/80 msek), ble en signifikant økning i RT'er observert når TMS ble levert 80/120, 120/160 og 160/200 msek etter utbruddet av stimulus. Disse resultatene viste SMG var engaged i fonologisk prosessering mellom 80 og 200 msek post-stimulus utbruddet, noe som indikerer både tidlig og vedvarende engasjement i fonologisk prosessering 44.

Figur 1
Figur 1. To vanlige fremgangsmåter for merking av stimulerings mulige områder. (A) En første fremgangsmåte innebærer å plassere et rutenett av markørene over et hånd motor-området og testing hver inntil TMS produserer den forventede effekt. Denne metode er vanlig for å identifisere en motor "hot spot" - det vil si det sted hvor stimuleringen gir den sterkeste og mest pålitelige muskelkontraksjon (B) En annen metode kan benyttes flere anatomiske begrensninger ved å lage et sett av markører innen et veldefinert. hjernen regionen. I dette eksemplet er plasseringen av de tre markører begrenset til den fremre delen av SMG. Den første er å finned overlegen til oppsigelse av bakre stigende Ramus av Sylvian sprekken; den andre er i den ventrale enden av fremre SMG; , og den tredje er omtrent halvveis mellom de to andre sider. Stimulerings markører vises på en parasagittal planet av en individuell MR-undersøkelse ved hjelp av rammeløse stereotaxy system. Den svarte skala bar i nedre venstre hjørne viser en avstand på 1 cm.

Fig. 2
Figur 2. Reaksjonstider (RTS) fra angrep av stimulus. (A) noTMS (lys barer) og TMS (mørke søyler) vilkår i tre ulike språkoppgaver. (B) Fem stimulering midlertidige vilkår i det fonologiske oppgaven. I eksempelet som presenteres her, ble dobbelt pulser levert på enten 40/80 msek, 80/120 msek, 120/160 msek, 160/200 msek, og 200/240 msek innlegg stimulans utbruddet. The første gang vinduet, 40/80 msek, ble brukt som en baseline kontroll tilstand fordi visuell informasjon ikke var forventet å ankomme SMG som raskt. Feil søylene representerer standardfeilen for gjennomsnittet justeres til riktig reflektere innen-faget varians 50. Den første eksperimentet inneholder data fra 12 deltakere og det andre fra 32 deltakere. * P <0,05.

Discussion

Denne artikkelen presenterer en protokoll for vurdering av årsaks og tidsmessige involvering av hjerneregioner i kognitive prosesser ved hjelp av online TMS. Denne diskusjonen fremhever første de viktige skritt for å skape en vellykket TMS protokoll og deretter de begrensninger som må vurderes når man designer en TMS eksperiment.

Fordi TMS protokoller har et stort antall frie parametre, noe som sikrer optimale stimuleringsparametere er et kritisk steg i forberedelsene en TMS eksperiment. Vanligvis blir dette oppnådd ved omfattende testing pilot for å fastslå stimulering frekvens, varighet, intensitet, inter-prøveintervall, og spoleretningen er nødvendig for å gi robuste effekter. For å opprette en effektiv "virtuell lesjon" frekvensen må indusere en robust effekt som dekker et tilstrekkelig stort tidsvindu til å omfatte den kognitive prosessen med interesse. Som et resultat av både frekvens og varighet varierer fra studier. Tilsvarende & #8220; riktig "stimuleringsintensitet er en som sikrer at magnetfeltet påvirker nerve behandlingen i målet hjerneregion, og her er den viktigste faktoren er avstanden fra spolen til stimulering side 51.. Mange studier identifisere intensiteten av stimuleringen er nødvendig for å produsere en motorisk respons ved å stimulere hånd område av primær motor cortex og bruke denne til å normalisere intensiteten på tvers av deltakerne 52,53-55. Dette tiltaket er imidlertid ikke en pålitelig indeks over den optimale intensiteten for ikke-motoriske områder 42,51,56. Et annet alternativ er å bruke samme intensitet for alle deltakerne. Det valgte intensitet bør være effektiv i alle pilot fag etter å eksperimentere med en rekke stimuleringsintensitet. I tillegg, er spoleretningen en viktig parameter som krever behandling. Den spesifikke spole orientering påvirker fordelingen av det induserte elektriske feltet innenfor den stimulerte neuronal populasjon, og kan derfor påvirke BehaVIOR. Generelt kan publiserte protokoller gir et utgangspunkt som er iterativt endret under pilottesting som passer den spesifikke eksperiment. Ofte, men informasjon om dette pilottesting er utelatt fra den endelige manuskriptet, som har den uheldige effekten av å skjule noen viktige aspekter av protokollen designprosessen.

Valg av en lokaliseringsprosedyre er også viktig for å sikre at stimulering administreres til den optimale område. Selv om mange studier har blitt lokalisert stimulering områder ved hjelp anatomi-baserte metoder som er rettet mot et enkelt sted på tvers av de enkelte deltakerne 57,58, tilpasse stimulering stedet for hvert fag individuelt reduserer mellom-faget variasjon i atferdsmessige resultater som gir en mer effektiv metode 31. Her presenterte vi en TMS-basert funksjonell lokalisering prosedyre som gir fordeler i forhold fMRI-basert lokalisering. Nærmere bestemt, det unngår problemet med forskjellige romlige skjevheter væretween fmri (dvs. drenering årer 59) og TMS (dvs. orienteringen av aksoner i magnetfeltet 6,60) som kan resultere i den samme neural respons blir lokalisert på forskjellige steder. I tillegg er det vel kjent at den spesifikke plasseringen av aktiverings "toppene" i fmri kan variere betydelig, slik at de sub-optimal TMS som er rettet mot 55,61. Ikke desto mindre, en rekke forskjellige lokaliserings prosedyrer er påviselig effektive, slik at det spesifikke valget er mindre viktig for at sikre at hvilken som helst metode benyttes gir pålitelige, reproduserbare virkning.

Selv om eksperimentet data presenteres her brukt reaksjonstider som avhengig tiltaket, er det mange andre alternativer tilgjengelig. For eksempel, noen studier bruker nøyaktighet i stedet 9,12,62. I disse tilfellene er normal ytelse uten TMS allerede under tak nivåer, slik at avbrudd indusert ved stimulering gjenspeiles i nøyaktigheten score.Andre studier har målt virkningene av stimulering med øyebevegelser 63,64. Mest kognitiv nevrovitenskap eksperimenter med TMS imidlertid bruke reaksjonstider som deres avhengige tiltak 13,48,65,66. Vanligvis effekten er av størrelsesorden flere titalls millisekunder, eller omtrent en 10% endring i reaksjonstider 67. Uansett avhengige tiltaket brukes bør være robust og konsistent, slik at relativt små endringer kan lett observeres.

Som enhver eksperimentell teknikk, har TMS viktige begrensninger som må vurderes når du velger denne metoden. De mest vanlige er: i) den romlig oppløsning på TMS, ii) de ikke-spesifikke effekter assosiert med stimulering, og iii) sikkerhetsaspekter av metodikken. For det første har TMS en begrenset dybde på stimulering fordi magnetfeltet reduseres i intensitet jo lenger unna det fra spolen. Derfor er det mest effektiv på å stimulere hjernen regioner nær hodebunnen (~ 2 - 3 cm) 68,69 69.. TMS har også en romlig oppløsning på ca 0.5 - 1 cm 47,70-72. Således kan fremgangsmåten ikke benyttes til å undersøke de funksjonelle bidrag fra finkornede romlige strukturer som kortikale kolonner.

En andre begrensning av TMS er at stimulering innfører samtidige sensoriske bivirkninger som følge av den hurtig skiftende magnetfelt. Mest spesielt er hver magnetisk puls ledsaget av en auditiv klikk og en tappe sensasjon. Derfor TMS kan være upassende for enkelte auditive eller somatosensoriske eksperimenter hvor disse bivirkningene kan forstyrre utførelsen av oppgaver. Vær imidlertid oppmerksom på at online TMS har vært brukt med hell i enkelte auditive eksperimenter 73,74 75,76. Fordi disse områdeforskjeller kan indusere eksperimentelle forundrer, er det viktig å bruke enten en kontrollside med lignende bivirkninger til de viktigste området som kontralaterale homologues 77 eller inkludere kontroll vilkår / oppgaver som ikke tappe inn i prosessen med interesse 24,62 , 73,78,79.

Til slutt må sikkerhetsmessige hensyn alltid tas i betraktning når man utformer TMS eksperimenter som det kan potensielt indusere synkope og kramper 27. For å minimere denne risikoen, internasjonalt aksepterte retningslinjer for stimulering intensitet, hyppighet og varighet exists, så vel som for det totale antall pulser og mellomprøveintervaller 27,28. Protokoller som holder seg innenfor disse retningslinjene antas å være trygt for nevrologisk normale deltakere. Det er verdt å merke seg imidlertid at disse er ennå ikke avsluttede og som ofte romanen TMS protokoller er innført som også bevise trygt. Generelt tyder bevisene på at når publiserte retningslinjer blir fulgt, er TMS en sikker prosedyre med ingen farlige bivirkninger. En konsekvens av disse grensene, er imidlertid at atferdsmessige protokoller vil ofte må justeres før de kan brukes med TMS. Dette har implikasjoner for flere aspekter ved utformingen, herunder lengden av forsøket, antall prøver, antall tilstander og stimulerings områder som kan testes. Noen av disse begrensningene kan overvinnes ved å dele eksperimentet i separate økter som for eksempel teste ulike stimulerings nettsteder på ulike dager. I slike tilfeller er det viktig å sikre at lokaliseringog testing av et nettsted er gjort innenfor den samme økten. Dette minimerer eksperimentelle avvik ved å maksimere nøyaktigheten av målretting. Når man beslutter å bruke en eller flere tester økten, er den grunnleggende begrensning sikkerheten til deltaker - spesifikt, hvor mye stimulering som er sikker i en enkelt økt. Den totale stimulering innebærer familiarisering, praksis, lokalisering (hvis du bruker TMS), og testing, potensielt over flere områder, og kritisk avhengig av antall forsøk per tilstand. Når dette tallet overstiger retningslinjene for en enkelt sesjon, er det nødvendig å bryte forsøket i flere sesjoner, utført i minst 24 timer fra hverandre. Det er ingen hard-og-rask regler vedrørende minimum antall forsøk er nødvendige for TMS eksperimenter, men som enhver eksperiment, kan disse bli beregnet ved hjelp av standard styrkeberegning basert på effektstørrelse, varians, α-nivå (typisk 0,05) og ønsket følsomhet. Ofte rimelige anslag påvirkningen størrelse og variansen er tilgjengelig som følge av den omfattende pilot tester gjort for å optimalisere den eksperimentelle protokollen.

Oppsummert har TMS blitt et viktig verktøy med brede programmer til kognitiv nevrovitenskap. Denne artikkelen gir en grunnleggende protokollen for online TMS i forbindelse med en atferds oppgave for å undersøke årsaks hjerne-atferdsrelasjoner både i "virtuelle lesjon"-modus, og også en kronometriske verktøy for å utforske de timelige dynamikken i regionalt spesifikke nevrale informasjonsbehandling.

Disclosures

Forfatterne hevder at de ikke har noen konkurrerende finansielle interesser.

Acknowledgments

Forfatterne har ingen bekreftelser.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Magstim Rapid2 stimulator Magstim, Carmarthenshire, UK
70 mm diameter figure-of-eight coil
Brainsight frameless stereotaxy system RogueResearch, Montreal, Canada
Polaris Vicra infrared camera Northern Digital, Waterloo, ON, Canada

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pascual-Leone, A., Bartres-Faz, D., Keenan, J. P. Transcranial magnetic stimulation: studying the brain-behavior relationship by induction of 'virtual lesions. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 354, 1229-1238 (1999).
  2. Walsh, V., Rushworth, M. A primer of magnetic stimulation as a tool for neuropsychology. Neuropsychologia. 37, 125-135 (1999).
  3. Paus, T. Inferring causality in brain images: a perturbation approach. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 360, 1109-1114 (2005).
  4. Sack, A. T. Transcranial magnetic stimulation, causal structure-function mapping and networks of functional relevance. Curr Opin Neurobiol. 16, 593-599 (2006).
  5. Walsh, V., Cowey, A. Magnetic stimulation studies of visual cognition. Trends Cogn Sci. 2, 103-110 (1998).
  6. Walsh, V., Pascual-Leone, A. Transcranial Magnetic Stimulation. A Neurochronometrics of Mind. The MIT Press. (2003).
  7. Esser, S. K., Hill, S. L., Tononi, G. Modeling the effects of transcranial magnetic stimulation on cortical circuits. J Neurophysiol. 94, 622-639 (2005).
  8. Amassian, V. E., et al. Suppression of visual perception by magnetic coil stimulation of human occipital cortex. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 74, 458-462 (1989).
  9. Corthout, E., Uttl, B., Walsh, V., Hallett, M., Cowey, A. Timing of activity in early visual cortex as revealed by transcranial magnetic stimulation. Neuroreport. 10, 2631-2634 (1999).
  10. Ilmoniemi, R. J., et al. Neuronal responses to magnetic stimulation reveal cortical reactivity and connectivity. Neuroreport. 8, 3537-3540 (1997).
  11. Pitcher, D., Walsh, V., Yovel, G., Duchaine, B. TMS evidence for the involvement of the right occipital face area in early face processing. Curr Biol. 17, 1568-1573 (2007).
  12. Amassian, V. E., et al. Unmasking human visual perception with the magnetic coil and its relationship to hemispheric asymmetry. Brain Res. 605, 312-316 (1993).
  13. Duncan, K. J., Pattamadilok, C., Devlin, J. T. Investigating occipito-temporal contributions to reading with TMS. J Cogn Neurosci. 22, 739-750 (2010).
  14. Walsh, V., Cowey, A. Transcranial magnetic stimulation and cognitive neuroscience. Nat Rev Neurosci. 1, 73-79 (2000).
  15. Barker, A. T., Jalinous, R., Freeston, I. L. Non-invasive magnetic stimulation of human motor cortex. Lancet. 1, 1106-1107 (1985).
  16. Pascual-Leone, A., Gates, J. R., Dhuna, A. Induction of speech arrest and counting errors with rapid-rate transcranial magnetic stimulation. Neurology. 41, 697-702 (1991).
  17. Epstein, C. M., et al. Localization and characterization of speech arrest during transcranial magnetic stimulation. Clin Neurophysiol. 110, 1073-1079 (1999).
  18. Stewart, L., Walsh, V., Frith, U., Rothwell, J. C. TMS produces two dissociable types of speech disruption. Neuroimage. 13, 472-478 (2001).
  19. Picht, T., et al. A comparison of language mapping by preoperative navigated transcranial magnetic stimulation and direct cortical stimulation during awake surgery. Neurosurgery. 72, 808-819 (2013).
  20. Szczepanski, S. M., Kastner, S. Shifting attentional priorities: control of spatial attention through hemispheric competition. J Neurosci. 33, 5411-5421 (2013).
  21. Pobric, G., Jefferies, E., Lambon Ralph, M. A. Category-specific versus category-general semantic impairment induced by transcranial magnetic stimulation. Curr Biol. 20, 964-968 (2010).
  22. Pitcher, D., Goldhaber, T., Duchaine, B., Walsh, V., Kanwisher, N. Two critical and functionally distinct stages of face and body perception. J Neurosci. 32, 15877-15885 (2012).
  23. Neubert, F. X., Mars, R. B., Buch, E. R., Olivier, E., Rushworth, M. F. Cortical and subcortical interactions during action reprogramming and their related white matter pathways. Proc Natl Acad Sci U S A. 107, 13240-13245 (2010).
  24. Hartwigsen, G., et al. Phonological decisions require both the left and right supramarginal gyri. Proc Natl Acad Sci U S A. 107, 16494-16499 (2010).
  25. Sakai, K. L., Noguchi, Y., Takeuchi, T., Watanabe, E. Selective priming of syntactic processing by event-related transcranial magnetic stimulation of Broca's area. Neuron. 35, 1177-1182 (2002).
  26. Huang, Y. Z., Edwards, M. J., Rounis, E., Bhatia, K. P., Rothwell, J. C. Theta burst stimulation of the human motor cortex. Neuron. 45, 201-206 (2005).
  27. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Safety Pascual-Leone, A. ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin Neurophysiol. 120, 2008-2039 (2009).
  28. Wassermann, E. M. Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation: report and suggested guidelines from the International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 108, 1-16 (1998).
  29. Carreiras, M., Pattamadilok, C., Meseguer, E., Barber, H., Devlin, J. T. Broca's area plays a causal role in morphosyntactic processing. Neuropsychologia. 50, 816-820 (2012).
  30. Knecht, S., et al. Degree of language lateralization determines susceptibility to unilateral brain lesions. Nat Neurosci. 5, 695-699 (2002).
  31. Sack, A. T., et al. Optimizing functional accuracy of TMS in cognitive studies: a comparison of methods. J Cogn Neurosci. 21, 207-221 (2009).
  32. Camprodon, J. A., Zohary, E., Brodbeck, V., Pascual-Leone, A. Two phases of V1 activity for visual recognition of natural images. J Cogn Neurosci. 22, 1262-1269 (2010).
  33. Kanwisher, N., McDermott, J., Chun, M. M. The fusiform face area: a module in human extrastriate cortex specialized for face perception. J Neurosci. 17, 4302-4311 (1997).
  34. Taylor, P. C., Nobre, A. C., Rushworth, M. F. FEF TMS affects visual cortical activity. Cereb Cortex. 17, 391-399 (2007).
  35. Mottonen, R., Watkins, K. E. Motor representations of articulators contribute to categorical perception of speech sounds. J Neurosci. 29, 9819-9825 (2009).
  36. Levkovitz, Y., et al. A randomized controlled feasibility and safety study of deep transcranial magnetic stimulation. Clin Neurophysiol. 118, 2730-2744 (2007).
  37. Stewart, L., Battelli, L., Walsh, V., Cowey, A. Motion perception and perceptual learning studied by magnetic stimulation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol Suppl. 51, 334-350 (1999).
  38. Wig, G. S., Grafton, S. T., Demos, K. E., Kelley, W. M. Reductions in neural activity underlie behavioral components of repetition priming. Nat Neurosci. 8, 1228-1233 (2005).
  39. Bjoertomt, O., Cowey, A., Walsh, V. Spatial neglect in near and far space investigated by repetitive transcranial magnetic stimulation. Brain. 125, 2012-2022 (2002).
  40. Campana, G., Pavan, A., Casco, C. Priming of first- and second-order motion: Mechanisms and neural substrates. Neuropsychologia. 46, 393-398 (2008).
  41. Walsh, V., Ellison, A., Battelli, L., Cowey, A. Task-specific impairments and enhancements induced by magnetic stimulation of human visual area V5. Proc Biol Sci. 265, 537-543 (1998).
  42. Stewart, L. M., Walsh, V., Rothwell, J. C. Motor and phosphene thresholds: a transcranial magnetic stimulation correlation study. Neuropsychologia. 39, 415-419 (2001).
  43. Gough, P. M., Nobre, A. C., Devlin, J. T. Dissociating linguistic processes in the left inferior frontal cortex with transcranial magnetic stimulation. J Neurosci. 25, 8010-8016 (2005).
  44. Sliwinska, M. W., Khadilkar, M., Campbell-Ratcliffe, J., Quevenco, F., Devlin, J. T. Early and sustained supramarginal gyrus contributions to phonological processing. Front Psychol. 161, (2012).
  45. Chen, R., et al. Safety of different inter-train intervals for repetitive transcranial magnetic stimulation and recommendations for safe ranges of stimulation parameters. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 105, 415-421 (1997).
  46. Counter, S. A., Borg, E., Lofqvist, L. Acoustic trauma in extracranial magnetic brain stimulation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 78, 173-184 (1991).
  47. Brasil-Neto, J. P., et al. Optimal focal transcranial magnetic activation of the human motor cortex: effects of coil orientation, shape of the induced current pulse, and stimulus intensity. J Clin Neurophysiol. 9, 132-136 (1992).
  48. Schluter, N. D., Rushworth, M. F., Passingham, R. E., Mills, K. R. Temporary interference in human lateral premotor cortex suggests dominance for the selection of movements. A study using transcranial magnetic stimulation. Brain. 121, (5), 785-799 (1998).
  49. Juan, C. H., Walsh, V. Feedback to V1: a reverse hierarchy in vision. Exp Brain Res. 150, 259-263 (2003).
  50. Loftus, G. R., Masson, M. E. J. Using confidence-intervals in within-subject designs. Psychon Bull Rev. 1, 476-490 (1994).
  51. Stokes, M. G., et al. Biophysical determinants of transcranial magnetic stimulation: effects of excitability and depth of targeted area. J Neurophysiol. 109, 437-444 (2013).
  52. Gobel, S., Walsh, V., Rushworth, M. F. The mental number line and the human angular gyrus. Neuroimage. 14, 1278-1289 (2001).
  53. Watkins, K., Paus, T. Modulation of motor excitability during speech perception: the role of Broca's area. J Cogn Neurosci. 16, 978-987 (2004).
  54. Meister, I. G., Wilson, S. M., Deblieck, C., Wu, A. D., Iacoboni, M. The essential role of premotor cortex in speech perception. Curr Biol. 17, 1692-1696 (2007).
  55. Kawabata Duncan, K. J., Devlin, J. T. Improving the reliability of functional localizers. Neuroimage. 57, 1022-1030 (2011).
  56. Deblieck, C., Thompson, B., Iacoboni, M., Wu, A. D. Correlation between motor and phosphene thresholds: a transcranial magnetic stimulation study. Hum Brain Mapp. 29, 662-670 (2008).
  57. Knecht, S., Sommer, J., Deppe, M., Steinstrater, O. Scalp position and efficacy of transcranial magnetic stimulation. Clin Neurophysiol. 116, 1988-1993 (2005).
  58. Carreiras, M., et al. An anatomical signature for literacy. Nature. 461, 983-986 (2009).
  59. Turner, R. How much cortex can a vein drain? Downstream dilution of activation-related cerebral blood oxygenation changes. Neuroimage. 16, 1062-1067 (2002).
  60. Amassian, V. E., Eberle, L., Maccabee, P. J., Cracco, R. Q. Modelling magnetic coil excitation of human cerebral cortex with a peripheral nerve immersed in a brain-shaped volume conductor: the significance of fiber bending in excitation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 85, 291-301 (1992).
  61. Kung, C. C., Peissig, J. J., Tarr, M. J. Is region-of-interest overlap comparison a reliable measure of category specificity. J Cogn Neurosci. 19, 2019-2034 (2007).
  62. Pitcher, D., Garrido, L., Walsh, V., Duchaine, B. C. Transcranial magnetic stimulation disrupts the perception and embodiment of facial expressions. J Neurosci. 28, 8929-8933 (2008).
  63. Leff, A. P., Scott, S. K., Rothwell, J. C., Wise, R. J. The planning and guiding of reading saccades: a repetitive transcranial magnetic stimulation study. Cereb Cortex. 11, 918-923 (2001).
  64. Acheson, D. J., Hagoort, P. Stimulating the brain's language network: syntactic ambiguity resolution after TMS to the inferior frontal gyrus and middle temporal gyrus. J Cogn Neurosci. 25, 1664-1677 (1162).
  65. Stewart, L., Meyer, B., Frith, U., Rothwell, J. Left posterior BA37 is involved in object recognition: a TMS study. Neuropsychologia. 39, 1-6 (2001).
  66. Ashbridge, E., Walsh, V., Cowey, A. Temporal aspects of visual search studied by transcranial magnetic stimulation. Neuropsychologia. 35, 1121-1131 (1997).
  67. Devlin, J. T., Watkins, K. E. Stimulating language: insights from TMS. Brain. 130, 610-622 (2007).
  68. Roth, B. J., Saypol, J. M., Hallett, M., Cohen, L. G. A theoretical calculation of the electric field induced in the cortex during magnetic stimulation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 47-56 (1991).
  69. Zangen, A., Roth, Y., Voller, B., Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation of deep brain regions: evidence for efficacy of the H-coil. Clin Neurophysiol. 116, 775-779 (2005).
  70. Toschi, N., Welt, T., Guerrisi, M., Keck, M. E. A reconstruction of the conductive phenomena elicited by transcranial magnetic stimulation in heterogeneous brain tissue. Phys Med. 24, 80-86 (2008).
  71. Ravazzani, P., Ruohonen, J., Grandori, F., Tognola, G. Magnetic stimulation of the nervous system: induced electric field in unbounded, semi-infinite, spherical, and cylindrical media. Ann Biomed Eng. 24, 606-616 (1996).
  72. Thielscher, A., Kammer, T. Linking physics with physiology in TMS: a sphere field model to determine the cortical stimulation site in TMS. Neuroimage. 17, 1117-1130 (2002).
  73. Pattamadilok, C., Knierim, I. N., Kawabata Duncan, K. J., Devlin, J. T. How does learning to read affect speech perception. J Neurosci. 30, 8435-8444 (2010).
  74. Bestelmeyer, P. E., Belin, P., Grosbras, M. H. Right temporal TMS impairs voice detection. Curr Biol. 21, 838-839 (2011).
  75. Mennemeier, M., et al. Sham Transcranial Magnetic Stimulation Using Electrical Stimulation of the Scalp. Brain Stimul. 2, 168-173 (2009).
  76. Deng, Z. D., Peterchev, A. V. Transcranial magnetic stimulation coil with electronically switchable active and sham modes. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. (2011).
  77. Gobell, S. M., Rushworth, M. F., Walsh, V. Inferior parietal rtms affects performance in an addition task. Cortex. 42, 774-781 (2006).
  78. Nixon, P., Lazarova, J., Hodinott-Hill, I., Gough, P., Passingham, R. The inferior frontal gyrus and phonological processing: an investigation using rTMS. J Cogn Neurosci. 16, 289-300 (2004).
  79. Mottonen, R., Watkins, K. E. Using TMS to study the role of the articulatory motor system in speech perception. Aphasiology. 26, 1103-1118 (2012).
Transkranial magnetisk stimulering for Gransker årsaks Brain-atferdsrelasjoner og deres tid Course
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sliwinska, M. W., Vitello, S., Devlin, J. T. Transcranial Magnetic Stimulation for Investigating Causal Brain-behavioral Relationships and their Time Course. J. Vis. Exp. (89), e51735, doi:10.3791/51735 (2014).More

Sliwinska, M. W., Vitello, S., Devlin, J. T. Transcranial Magnetic Stimulation for Investigating Causal Brain-behavioral Relationships and their Time Course. J. Vis. Exp. (89), e51735, doi:10.3791/51735 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter