Login processing...

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

Behavior

Transkraniell magnetisk stimulering för Undersöka Orsaks Brain-beteende relationer och deras Tid Kurs

doi: 10.3791/51735 Published: July 18, 2014

Summary

Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) är en teknik för att icke-invasivt störa neural informationsbehandling och mäta dess effekt på beteendet. När TMS stör en uppgift betyder det att den stimulerade hjärnregionen är nödvändig för normal uppgift prestanda, tillåter en att systematiskt relatera hjärnregioner till kognitiva funktioner.

Abstract

Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) är en säker, icke-invasiv hjärnstimulering teknik som använder en stark elektromagnet för att tillfälligt avbryta informationsbehandling i en hjärnregion, genererar en kortlivad "virtuell lesion." Stimulering som stör uppgiften prestanda indikerar att den drabbade hjärnområdet är nödvändig för att utföra uppgiften normalt. Med andra ord, till skillnad från neuroradiologiska metoder såsom funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) som indikerar samband mellan hjärna och beteende, TMS kan användas för att visa orsaks hjärnan-beteende relationer. Vidare, genom att variera varaktigheten och starten av den virtuella lesion, TMS kan också avslöja tidsförloppet för normal bearbetning. Som ett resultat har TMS blivit ett viktigt verktyg i kognitiv neurovetenskap. Fördelarna med tekniken under studierna lesion underskott inkluderar bättre spatial-temporal precision störningar effekt, förmågan att använda deltagarna som sin egen control ämnen, och tillgängligheten till deltagarna. Begränsningar inkluderar samtidig auditiv och somatosensoriska stimulering som kan påverka aktivitets prestanda, begränsad tillgång till strukturer mer än ett par centimeter från ytan i hårbotten, och relativt stort utrymme för fria parametrar som måste optimeras för att experimentet ska fungera. Experimentell design som noga skall överväga lämpliga villkor kontroll bidra till att lösa dessa problem. Den här artikeln belyser dessa frågor med TMS resultat som undersöker de rumsliga och tidsmässiga bidrag vänster supramarginal gyrus (SMG) till läsning.

Introduction

Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) är en säker och icke-invasiv verktyg som används för hjärnstimulering. Det använder sig av en snabbt föränderlig elektrisk ström inuti ett ledande spole för att generera en stark, men relativt fokal, magnetfält. När den appliceras på hårbotten, magnetfältet inducerar elektrisk aktivitet i den underliggande hjärnvävnad, tillfälligt störa lokal kortikal informationsbehandling. Denna övergående störning skapar effektivt en kortvarig "virtuell lesion" 1,2. Denna teknik ger en icke-invasiv metod för att dra kausala hjärna-beteende slutsatser och undersöka den tidsmässiga dynamiken i nätet neurala informationsbehandling i både friska vuxna och neurologiska patienter.

Genom att selektivt störa regionspecifika kortikal bearbetning, kan TMS användas för att dra orsakssambanden mellan hjärnregioner och specifika beteenden 3,4. Det är, om att stimulera en kortikal område betydligtpåverkar aktivitets resultat i förhållande till lämpliga villkor kontroll, tyder detta på att det stimulerade området är nödvändig för att utföra uppgiften normalt. Kausala slutsatser av detta slag är en av de stora fördelarna med TMS över neuroradiologiska metoder såsom funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) eller positronemissionstomografi (PET). Till skillnad från neuroradiologiska tekniker som mäter neural aktivitet och korrelerar det med beteende, ger TMS möjlighet att störa neural informationsbehandling och mäta dess effekter på beteendet. I denna mening är det mer som traditionella lesion-underskott analyser på patienter med hjärnskador, förutom att TMS är icke-invasiv och effekterna är tillfälliga och reversibla. TMS har också flera fördelar jämfört lesion studier. Till exempel, effekterna av stimulering är i allmänhet mer rumsligt precisa än naturligt förekommande lesioner, som ofta är stora och varierar kraftigt mellan patienter. Dessutom kan deltagarna användas som sina egna kontroller, thereby undviker frågan om eventuella skillnader i pre-morbid förmågor mellan patienter och kontroller. Slutligen finns det inte tillräckligt med tid för funktionell omorganisation ske under TMS, vilket innebär att återvinningsprocesserna är osannolikt att förbrylla resultatet 5. Med andra ord erbjuder TMS ett kraftfullt verktyg för att undersöka orsaks hjärna-beteende relationer som kompletterar korrelat tekniker såsom funktionell neuroimaging.

TMS kan också användas för att undersöka tidsförloppet för neural informationsbehandling genom att använda mycket korta skurar av stimulering och varierande starten av stimuleringen 6. Vanligtvis handlar det antingen en enkel eller dubbel puls TMS levereras till ett område vid olika tidpunkter i en rättegång. Eftersom effekten av en enskild TMS puls inträffar omedelbart och varar någonstans mellan 5 och 40 ms 7-10, möjliggör detta forskaren att kartlägga de temporala dynamiken i den regionala nervaktivitet, inklusive dess onset, varaktighet, och offset 11,12. Varaktigheten av denna störning begränsar tidsupplösning av tekniken till 10s av ms, ungefär en storleksordning grövre än elektroencefalografi (EEG) och magnetencefalografi (MEG). Å andra sidan, tiderna observerats i kronometriska TMS studier tenderar att matcha de från invasiva neurofysiologiska inspelningar bättre än EEG och MEG 9,13. Förmodligen beror detta på att EEG och MEG mäter storskaliga neuronala synkront som släpar efter den tidigaste starten av verksamheten 14. Dessutom, som fMRI och PET, EEG och MEG är korrelat åtgärder av hela hjärnaktivitet medan tidmätningsinstrument TMS kan inte bara ge viktig information om regionala tidsmässiga dynamiken utan också om nödvändigheten av regionen för ett givet beteende.

Även TMS utvecklades ursprungligen för att undersöka fysiologi motorsystemet 15, blev det snabbt antogs som ett värdefullt verktyg för cognitive neurovetenskap. En av dess tidigaste användning som en "virtuell lesion" teknik var att framkalla tallåsning genom att stimulera den vänstra sämre frontala cortex 16-18. Resultaten bekräftade vikten av Brocas område för talproduktion och föreslog ett potentiellt alternativ till Wada tester för att avgöra språk dominans efter neurokirurgiska ingrepp 16,19. Nu TMS används i praktiskt taget alla områden i kognitiv neurovetenskap, inklusive uppmärksamhet 20, minne 21, visuell bearbetning 22, åtgärdsplanering 23, beslutsfattande 24, och språkbehandling 25. Vanligtvis TMS inducerar antingen ökade felprocent eller långsammare reaktionstider (RTS), vilka båda tas som indikatorer på kausala relationer mellan hjärna och beteende 3,4. Vissa studier använder TMS i både dess virtuella lesion läget och som en tidmätningsinstrument verktyg. Till exempel, Pitcher och kollegor 11 första visade att repetitiva TMS(RTMS) levereras till occipital ansiktet området störs noggrann ansikts diskriminering och sedan för tidmätningsinstrument TMS för att fastställa att denna effekt var endast närvarande när TMS levererades vid 60 och 100 ms, vilket visar att denna hjärnregion bearbetar ansikte del information på ett tidigt skede av ansiktsigenkänning. I alla de exempel som nämns här, är TMS administreras "on-line", är att under uppgift prestanda, så att effekterna av TMS är omedelbara och kortlivade (dvs effekten varar så länge som stimuleringstiden). Detta står i kontrast med "off-line" TMS som innebär antingen långa serier av lågfrekvent stimulering 21 eller korta skurar av mönstrad stimulering 26 innan en uppgift. I off-line TMS effekterna sist långt utöver den tid som TMS själva ansökan. Denna artikel fokuserar enbart på "on-line"-metoden.

De första stegen i att förbereda någon TMS eXperiment innefatta identifiering av en stimulering protokoll och välja en lokaliseringsmetod. Stimuleringsparametrar inkluderar intensitet, frekvens och varaktighet TMS och begränsas av internationellt fastställda säkerhetskrav 27,28. Varje TMS experiment kräver också en lämplig lokaliseringsförfarande för positionering och orientera spolen exakt över stimulering webbplatsen. Lokalisering kan baseras på standardrymdkoordinaterna 29 eller 10-20 lokaliseringssystemet 30, men vanligtvis är anpassad till varje enskild deltagare 31. För det senare, det finns många alternativ som inkluderar riktar stimulering baserad på varje individs anatomi 32, funktionellt lokalisera använda fMRI 33 eller funktionellt lokalisera med hjälp av TMS 34. Protokollet presenteras här förespråkar funktionell lokalisering med TMS som en del av ett allmänt protokoll för on-line TMS experiment. Sedan ett illustrativt exempel presenteras på hur TMS kan användasatt undersöka de funktionella bidrag vänster supramarginal gyrus (SMG) till fonologiska bearbetning i läsning.

Protocol

Protokollet godkändes av UCL etikprövningsnämnden (# 249/001) för icke-invasiv hjärnstimulering av neurologiskt normala frivilliga försökspersoner.

1. Skapa TMS-protokollet

Nästan alla TMS experiment i kognitiv neurovetenskap använder bifasisk stimulering i kombination med en siffra-av-åtta formad spole. Detta ger möjlighet att leverera snabba tåg av pulser (> 1 Hz) och rikta en kortikal plats så exakt som möjligt. Det är möjligt att använda mono-phasic stimulering 35 eller en annan spiralformen 36, men här är standardkonfigurationen tillämpades.

  1. Välj en frekvens och varaktighet stimulering.
    OBS: Ett vanligt val i kognitiv neurovetenskap är att använda 10 Hz stimulering för 500 msek från uppkomsten av den stimulans 37-40.
  2. Välj en intensitetsnivå baserad på omfattande pilotförsök. Håll den konstant över deltagarna.
    OBS: För utrustning used här, vanligen använda intensiteter varierar mellan 50 - 70% av den maximala stimulator output 11,41-44.
  3. Välj en inter-rättegången intervall. För både praktiska och säkerhetsskäl, separera stimuleringsförsök med minst 3-5 sek 27,45.

2. Utför Head Anmälan

  1. Skaffa en högupplöst, T1-viktade anatomiska magnetisk resonanstomografi (MRT) scan för varje deltagare på en separat session innan TMS. Ta med de referenspunkter i bilden som kommer att användas i steg 2.3.
  2. Ladda skann i ramlösa stereosystemet innan TMS sessionen för att möjliggöra noggrann inriktning av stimulering platser i varje deltagare. Markera stimulerings platser på huvudet i början av experimentet eller kontinuerligt övervaka hela experimentet.
  3. Markera fyra referenspunkter på deltagarens image. Typiskt för dessa inkluderar spetsen på näsan, näsryggen, och intech ovanför tragus i varje öra.
  4. Ge deltagaren information om TMS för att dem att ge sitt informerade samtycke till att delta i försöket.
  5. Be deltagaren att slutföra en TMS Safety Screen form som har godkänts av Institutional Review Board.
    OBS: Permanenta motsättningar till TMS omfattar egen eller familjär historia av epilepsi, en klinisk historia av neurologiska eller psykiatriska problem, eller implanterade medicinska enheter, t.ex. en pacemaker eller cochleaimplantat. Att inte följa TMS säkerhetskrav kan potentiellt framkalla synkope och krampanfall.
  6. Placera motivet tracker på deltagarens huvud; Det kommer att fungera som en referens vid mätning av referenspunkter. Tryck varje fiducial punkt på ämnet huvud med en pekare som kommer med stereosystemet och spara motsvarande koordinaterna på datorn. Kalibrera ämne huvud med MR-bilden. Kontrollera kvaliteten på registrering och upprepaprocessen vid behov.
  7. Be deltagaren att bära öronproppar under stimulering för att dämpa ljudet från spolen ansvarsfrihet och undvika skador på deltagarnas hörsel 46.
  8. Ställ upp TMS maskinen enligt de val som gjorts i avsnitt 1.
  9. Introducera deltagaren till stimuleringen innan du testar för att se till att deltagaren är förtrogen med sin känsla och tål väl. Först visar stimulering på forskarens armen och sedan på deltagarens arm för att vänja den personen med känslan.
    OBS: Detta är särskilt viktigt för deltagarna som upplever TMS för första gången.
  10. Demonstrera stimuleringsprotokoll på varje testsajter som känslan kan vara olika på olika platser. Placera spolen på den första platsen som identifieras av ramlösa stereosystemet så att spolen tangerar hårbotten och linjen för maximal magnetflöde skär stimulated webbplats.
    OBS: Stimulering påverkar ibland ansikts nerver och muskler och kan leda till obehag, så det är viktigt att testa om deltagaren tål det väl.

3. Utför Funktionell Lokalan

  1. Optimera stimuleringen webbplatsen genom att anpassa den till varje deltagare. Markera flera potentiella stimulans platser i hjärnan regionen av intresse på deltagarens strukturella image. Leta mål på minst 10 mm från varandra med tanke på den rumsliga upplösningen i TMS 47 med hjälp av ett galler eller anatomisk-märkning (Figur 1).
  2. Välj en localizer uppgift som jobbar på den kognitiva funktionen av intresse och har en mätbar beteende (t.ex. reaktionstider, noggrannhet, ögonrörelser). Upprepa uppgiften flera gånger när man testar de tänkbara platser och skapa olika versioner av uppgiften att undvika ständig upprepning av stimuli.
  3. Låt deltagaren att öva uppgiften utanstimulering tills de är bekväma med det. Sedan införa en andra övning med TMS slumpmässigt (eller pseudoslumpmässigt) presenterade på 50% av försöken så att deltagaren vänjer sig att utföra uppgiften utan att distraheras av stimulering.
  4. Välj en testa tomt och kör en version av localizer uppgiften. Omedelbart efteråt kontrollera resultaten för att se om stimulering påverkas prestanda.
    OBS: I många fall kommer att stimulera en "felaktig" site faktiskt underlätta svaren i förhållande till någon stimulans på grund av inter-sensoriska underlättande 2, i detta fall på grund av att höra klick och känna känslan av stimulans i hårbotten. Dessutom har stora effekter av stimulans (dvs. över 100 ms) är ofta artefaktuella och kräver på nytt att testa. Om de replikera och är specifika för ett särskilt test sida, då de kan vara verkliga effekter. Se till att välja en robust mått på en TMS effekt att vara säker i localization.
  5. Om ingen effekt observeras, välj en ny test plats och upprepa, annars testa samma plats igen för att fastställa om det återger. Testa flera webbplatser back-to-back i samma session för att säkerställa att de inte alla producerar en effekt som detta skulle tyda på en icke-specifik TMS effekt. Motvikt till den ordning som platser stimuleras över deltagarna.

4. Huvud Task

  1. Efter lokalisering och i samma session, kör huvudexperimentet med hjälp målplatsen som funktionellt lokaliserades.
    OBS: Detta kommer att innebära en annan uppgift för den som används i lokaliserings men en som delar nyckelprocessen av intresse. Till exempel kan en rim dom uppgift användas för att lokalisera ett område känsligt för bearbetning av ljudet av ord medan en homophone dom uppgift skulle kunna användas för huvud experimentet. I det här exemplet, båda uppgifterna kräver fonologisk bearbetning av skrivna ord, även om de specifika uppgiften kräver och stimuli skiljer.
  2. Inkludera tillräckliga kontrollförhållanden för att utesluta icke-specifika effekter av TMS.
  3. Testa samma plats på en kontroll uppgift som inte omfattar processen med intresse att påvisa funktionell specificitet i bearbetningen.
  4. Testa en annan plats på den viktigaste uppgiften att påvisa anatomiska särdrag av effekten.
  5. Inkludera ytterligare kontrollförhållanden som hyckla TMS, kontroll stimuli, eller flera tidsfönster.
  6. Genomföra en traditionell "virtuell lesion" experiment med samma TMS parametrar som används vid lokalisering (t.ex. intensitet, frekvens och varaktighet stimulering). För tidmätningsinstrument TMS experiment, använda samma intensitet men byt ut av pulser som används vid lokalisering av antingen en enkel 48 eller dubbel puls 49 levereras vid olika debut latenser.

Representative Results

Figur 2 illustrerar resultaten av två TMS-experiment som nämns som exempel. Nämligen, undersökte först huruvida den vänstra SMG är kausalt inblandade i behandlingen av ljudet av ord, medan den andra undersökte den temporala dynamiken i detta engagemang. Figur 2A visar representativa resultaten från det första försöket där rTMS (10 Hz, 5 pulser, 55% av maximal intensitet) levererades till SMG under tre uppgifter. Den fonologiska uppgiften fokuserade uppmärksamheten på ljudet av orden ("Har dessa två ord låter likadant? Vet-näsa") medan den semantiska uppgift fokuserade på deras innebörd ("Har dessa två ord betyder samma sak? Idé-föreställning"). En tredje styruppgift presenterade par av konsonant bokstavssträngar och frågade om de var identiska ("wsrft-wsrft"). Varje uppgift bestod av 100 försök. Resultaten visade att TMS ökat markant RT relativt ingen stimulation i den fonologiska uppgiften med i genomsnitt 37 msek. Däremot SMG stimulering hade ingen signifikant effekt på RTS i de semantiska eller ortografiska kontrolluppgifter. Med andra ord, en "virtuell lesion" i den vänstra SMG selektivt stört bearbeta ljudet av ord, vilket indikerar nödvändigheten av SMG i bearbetning av fonologiska aspekter av skrivna ord 44.

Figur 2B visar representativa resultaten av tidmätningsinstrument experiment utforskar tidsförloppet av fonologiska bearbetning inom SMG. Här, var dubbel puls TMS levereras vid fem olika tidsfönster efter stimulans debut under samma fonologiska uppgiften med 100 försök indelade i fem lika stora block vardera testa olika tidsfönster. Vid en jämförelse med det ursprungliga tillståndet (40/80 ms), var en betydande ökning av RT observeras när TMS levererades 80/120, 120/160 och 160/200 ms efter debuten av stimulans. Dessa resultat visade SMG var engaged i fonologiska bearbetning mellan 80 och 200 ms efter stimulans debut, vilket tyder både tidig och ihållande engagemang i fonologiska bearbetning 44.

Figur 1
Figur 1. Två vanliga metoder för märkning potentiella stimulansplatser. (A) En första metoden innebär att placera ett rutnät av markörer över en handmotorområdet och provning av varje tills TMS ger den förväntade effekten. Detta tillvägagångssätt är vanligt för att identifiera en motor "hot spot" - det vill säga den plats där stimuleringen ger den starkaste, mest pålitliga muskelkontraktion (B) En andra metoden gäller ytterligare anatomiska hållande genom att placera en uppsättning markörer inom en väl definierad. hjärnregion. I detta exempel är placeringen av de tre markörer begränsade till den främre regionen av SMG. Den första är lokaliserad överlägsen uppsägning av bakre stigande ramus av Sylvian spricka; den andra är i den ventrala änden av den främre SMG; och den tredje en är ungefär halvvägs mellan de andra två platserna. Stimulation markörer visas på en parasagittal plan för en enskild MR-undersökning med hjälp av ramlösa stereosystemet. Den svarta skal i nedre vänstra hörnet visar ett avstånd av 1 cm.

Figur 2
Figur 2. Reaktionstider (RTS) från starten av stimulus. (A) noTMS (ljusa staplar) och TMS (mörka staplar) villkor i tre olika språkliga uppgifter. (B) Fem stimuleringstidsförhållanden i den fonologiska uppgiften. I exemplet som presenteras här, har dubbla pulser på antingen 40/80 ms, 80/120 ms, 120/160 ms, 160/200 ms, och 200/240 ms efter stimulans debut. The första tidsfönster, 40/80 ms, användes som en baslinje kontroll villkor eftersom visuell information som inte väntades anlända till SMG som snabbt. Felstaplar representerar standardfelet för medelvärdet justeras för att korrekt reflektera inom individer varians 50. Det första experimentet innehåller data från 12 deltagare och den andra från 32 deltagare. * P <0,05.

Discussion

I denna artikel presenteras ett protokoll för att bedöma orsaks och tidsmässiga engagemang hjärnregioner i kognitiva processer med hjälp av online-TMS. Denna diskussion belyser första de kritiska stegen för att skapa en framgångsrik TMS-protokoll och sedan de begränsningar som måste beaktas när man utformar en TMS experiment.

Eftersom TMS protokoll har ett stort antal fria parametrar, säkerställer optimala stimuleringsparametrarna är ett kritiskt steg i att förbereda en TMS experiment. Normalt uppnås detta genom omfattande pilotförsök för att bestämma stimulerings frekvens, varaktighet, intensitet, inter-försöksintervallet och spolen orientering behövs för att åstadkomma robusta effekter. För att skapa ett effektivt "virtuell lesion" frekvensen måste inducera en kraftig effekt som täcker en tillräckligt stor tidsfönster för att omfatta den kognitiva processen av intresse. Som ett resultat, både frekvens och varaktighet varierar mellan studierna. Likaså & #8220, rätt "stimulans intensitet är en som ser till magnetfältet påverkar neurala bearbetning i målet hjärnregion och här den viktigaste faktorn är avståndet från spolen till stimulerings platsen 51. Många studier identifierar intensiteten av stimulans som krävs för att producera en motor svar när stimulera handen området primära motoriska cortex och använda detta för att normalisera intensitet över deltagare 52,53-55. Denna åtgärd är dock inte ett tillförlitligt index för optimal intensitet för icke-motoriska områden 42,51,56. Ett annat alternativ är att använda samma intensitet för alla deltagare. Den valda intensiteten bör vara effektiva i alla försökspersoner efter att experimentera med ett intervall av stimuleringsintensitet. Dessutom är spolen orienteringen en viktig parameter som måste beaktas. Den specifika ring orientering påverkar fördelningen av det inducerade elektriska fältet i den stimulerade neuronal population och kan därför påverka beteVior. Generellt kan publicerade protokoll ger en utgångspunkt som iterativt ändras under pilottester för att passa den specifika experimentet. Ofta, men informationen om denna pilottestning utelämnas från den slutliga manuskriptet, som har den olyckliga effekten att dölja några viktiga aspekterna av protokollet designprocessen.

Att välja ett lokaliseringsförfarande är också viktigt att se till att stimulering ges till den optimala platsen. Även om många studier har lyckats lokaliserat stimulering sajter använder anatomi baserade metoder som riktar en enda plats över enskilda deltagare 57,58, anpassa stimulerings platsen för varje ämne minskar individuellt mellan individer variansen i beteende resultat som ger en mer effektiv metod 31. Här presenterade vi en TMS-baserad funktionell lokalisering förfarande som ger fördelar jämfört med fMRI-baserad lokalisering. Speciellt undviker man problemet med olika rumsliga förspänner varalan fMRI (dvs dränerande vener 59) och TMS (dvs., orientering axoner inom magnetfältet 6,60) som kan leda till samma neurala svaret är lokaliserade till olika platser. Dessutom är det väl känt att den specifika platsen för aktivering "toppar" i fMRI kan variera avsevärt, vilket gör dem suboptimal eftersom TMS riktar 55,61. Trots det, en rad olika lokaliseringsförfaranden är bevisligen effektiva, så det specifika valet är mindre viktigt att se till att oavsett vilken metod som används ger tillförlitliga, reproducerbara effekter.

Även om uppgifterna experiment som presenteras här används reaktionstider som beroende mått, det finns många andra alternativ. Till exempel vissa studier använder noggrannhet istället 9,12,62. I dessa fall är normal prestanda utan TMS redan under tak nivåer så att störningar induceras genom stimulering återspeglas i noggrannhets poängen.Andra studier har mätt effekterna av stimulering på ögonrörelser 63,64. Mest kognitiv neurovetenskap experiment med TMS, dock använda reaktionstider som deras beroende mått 13,48,65,66. Typiskt, effekterna är av storleksordningen tiotals ms, eller ungefär en 10% förändring i reaktionstider 67. Oavsett beroende mått används bör vara robust och konsekvent, så att relativt små förändringar kan lätt iakttas.

Precis som alla experimentell teknik, har TMS viktiga begränsningar som måste beaktas när man väljer denna metod. De vanligaste är: i) den rumsliga upplösningen av TMS, ii) de icke-specifika effekter i samband med stimulering, och iii) säkerhetsaspekter av metoden. För det första har TMS ett begränsat djup av stimuleringen, eftersom det magnetiska fältet minskar i intensitet ju längre bort det från spolen. Följaktligen är det mest effektiva att stimulera hjärnregioner nära hårbotten (~ 2-3 cm) 68,69 69. TMS har också en spatial upplösning på omkring 0,5-1 cm 47,70-72. Sålunda kan förfarandet inte användas för att undersöka de funktionella bidrag från finkorniga rumsliga strukturer såsom kortikala kolumner.

En andra begränsning av TMS är att stimulering introducerar samtidiga sensoriska biverkningar som ett resultat av den snabbt föränderliga magnetfältet. Framför allt är varje magnetpuls åtföljd av en auditiv klick och en gäng sensation. TMS kan därför vara olämpligt för vissa hörsel eller somatosensoriska experiment där dessa biverkningar kan störa uppgift prestanda. Observera dock att nätet TMS har använts framgångsrikt i vissa auditiva experiment 73,74 75,76. Eftersom dessa platsskillnader kan framkalla experimentella blandar ihop, är det viktigt att använda antingen en kontrollstället med liknande biverkningar till de viktigaste webbplats som kontrahomologer 77 eller inkludera kontroll villkor / uppgifter som inte når in i processen av intresse 24,62 , 73,78,79.

Slutligen måste säkerhetsaspekter alltid beaktas när man utformar TMS experiment eftersom det potentiellt kan framkalla synkope och kramper 27. För att minimera denna risk, internationellt accepterade riktlinjer för stimulering intensitet, frekvens och varaktighet exists, såväl som för det totala antalet pulser och de inter-rättegången intervall 27,28. Protokoll som bor inom dessa riktlinjer anses vara säkra för neurologiskt normala deltagare. Det är dock värt att notera, att dessa är ännu ofullständig och som ofta nya TMS protokoll införs som också bevisar säker. Generellt, tyder mycket på att när offentliggjorda riktlinjer följs, är TMS en säker procedur utan några farliga biverkningar. En konsekvens av dessa gränser är dock att beteende protokoll ofta måste justeras innan de kan användas med TMS. Detta får konsekvenser för flera aspekter av konstruktionen, inklusive längden på experimentet, antalet försök, antal villkor och stimulans webbplatser som kan testas. Vissa av dessa begränsningar kan övervinnas genom att dela upp experiment i separata sessioner såsom testa olika stimuleringsställen på olika dagar. I dessa fall är det viktigt att säkerställa att lokaliseringsoch testning av en webbplats görs inom samma session. Detta minimerar experimentella variansen genom att maximera noggrannheten av inriktning. När man beslutar om att använda en eller flera testsession, är den grundläggande begränsningen säkerheten för deltagaren - specifikt, hur mycket stimulans som är säker i en enda session. Den totala stimulering innebär förtrogenhet, praktik, lokalisering (om du använder TMS), och test, eventuellt över flera webbplatser, och kritiskt beror på antalet försök per tillstånd. Om denna siffra överstiger riktlinjerna för en enda session, är det nödvändigt att bryta den experiment i flera sessioner, som genomfördes ett minimum av 24 h från varandra. Det finns inga hårda och fasta regler om det minsta antalet försök som krävs för TMS experiment, men som alla experiment, kan dessa beräknas med hjälp av standardeffektberäkningar baserade på effektstorlek, varians, α-nivån (vanligtvis 0,05) och önskad känslighet. Ofta rimliga uppskattningar aveffektstorlek och varians är tillgängliga som ett resultat av den omfattande pilotförsök göras för att optimera det experimentella protokollet.

Sammanfattningsvis har TMS blivit ett viktigt verktyg med breda tillämpningar inom kognitiv neurovetenskap. Den här artikeln innehåller en grundläggande protokoll för nätet TMS tillsammans med en beteendevetenskaplig uppgift för att undersöka orsaks hjärnan-beteende relationer både i "virtuell lesion"-läge och även en tidmätningsinstrument verktyg för att utforska de temporala dynamiken i regionspecifika neurala informationsbehandling.

Disclosures

Författarna förklarar att de inte har några konkurrerande ekonomiska intressen.

Acknowledgments

Författarna har inga bekräftelser.

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).
Transkraniell magnetisk stimulering för Undersöka Orsaks Brain-beteende relationer och deras Tid Kurs
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