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.
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.
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.
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 </sup> Och är ineffektivt att stimulera djupa hjärnstrukturer. Som ett resultat, är de enda regionerna direkt tillgängliga för TMS begränsad till det kortikala manteln, även om olika formade spolar utvecklas för att nå djupare regioner som de basala ganglierna 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 </supp> och är därför möjligt i åtminstone vissa uppgifter. En annan faktor är att intensiteten av de sensoriska effekterna skiljer över huvud platser. Till exempel kommer stimulering, som administreras till en plats nära örat låter starkare än platser längre bort. Likaså mer ventrala platser på huvudet ger större muskelsammandragning än ryggområdena 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.
The authors have nothing to disclose.
Författarna har inga bekräftelser.
1) Magstim Rapid2 stimulator (Magstim, Carmarthenshire, UK) | |||
2) 70-mm diameter figure-of-eight coil | |||
3) Brainsight frameless stereotaxy system (RogueResearch, Montreal, Canada) | |||
4) Polaris Vicra infrared camera (Northern Digital, Waterloo, ON, Canada) |