Resting-state functional-connectivity MRI has identified abnormalities in patients with a wide range of neuropsychiatric disorders, including epilepsy due to malformations of cortical development. Transcranial Magnetic Stimulation in combination with EEG can demonstrate that patients with epilepsy have cortical hyperexcitability in regions with abnormal connectivity.
Resting-state functional connectivity MRI (rs-fcMRI) is a technique that identifies connectivity between different brain regions based on correlations over time in the blood-oxygenation level dependent signal. rs-fcMRI has been applied extensively to identify abnormalities in brain connectivity in different neurologic and psychiatric diseases. However, the relationship among rs-fcMRI connectivity abnormalities, brain electrophysiology and disease state is unknown, in part because the causal significance of alterations in functional connectivity in disease pathophysiology has not been established. Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) is a technique that uses electromagnetic induction to noninvasively produce focal changes in cortical activity. When combined with electroencephalography (EEG), TMS can be used to assess the brain’s response to external perturbations. Here we provide a protocol for combining rs-fcMRI, TMS and EEG to assess the physiologic significance of alterations in functional connectivity in patients with neuropsychiatric disease. We provide representative results from a previously published study in which rs-fcMRI was used to identify regions with abnormal connectivity in patients with epilepsy due to a malformation of cortical development, periventricular nodular heterotopia (PNH). Stimulation in patients with epilepsy resulted in abnormal TMS-evoked EEG activity relative to stimulation of the same sites in matched healthy control patients, with an abnormal increase in the late component of the TMS-evoked potential, consistent with cortical hyperexcitability. This abnormality was specific to regions with abnormal resting-state functional connectivity. Electrical source analysis in a subject with previously recorded seizures demonstrated that the origin of the abnormal TMS-evoked activity co-localized with the seizure-onset zone, suggesting the presence of an epileptogenic circuit. These results demonstrate how rs-fcMRI, TMS and EEG can be utilized together to identify and understand the physiological significance of abnormal brain connectivity in human diseases.
Transkraniyal manyetik stimülasyon (TMS) invaziv olmayan elektromanyetik indüksiyon ile korteks bölgeleri uyararak için bir yöntemdir. TMS, büyük bir boşlukta sınırlı manyetik akı, bir hedef kortikal bölgesinde bir elektrik alanı indükler ve böylece alttaki nöral doku aktivitesini modüle etmek için kullanılır. Motorda motor korteks sonuçlarına TMS elektromiyografi (EMG) üzerinden periferik ölçülebilir uyarılmış potansiyeller. Çift veya bakliyat üçüz uygulandığında, TMS, belirli intrakortikal GABAerjik ve glutaminerjik devreleri 1-3 aktivitesini değerlendirmek ve böylece insan hastalarda in vivo olarak uyarma ve inhibisyon dengesini değerlendirmek için de kullanılabilir. Özellikle epilepsi, TMS çalışmalar kortikal hipereksitabilite epilepsi 4,5 olan hastalarda mevcut olduğunu göstermiştir, ve ilaç 6 yanıtı tahmin böylece başarılı bir anti-epileptik ilaç tedavisi ile normale olabilir ve. kortikal ex Ayrıca, TMS önlemlerTek bir nöbet 7 ve yaygın idiyopatik ve edinsel fokal epilepsilerde 8 hem hastaların kardeşlerinde hastalarda ara değerler gösterebilir citability. Bu bulgular, kortikal eksitabilite TMS önlemler bize epilepsi endofenotipleri tanımlamak için izin olabileceğini düşündürmektedir. TMS-EMG sadece motor kortikal devrelerin uyarılması ile değerlendirilebilir ve epilepsi ile birçok hasta motor korteks dışında nöbet odaklar var çünkü Ancak, bu önlemlerin duyarlılık ve seçicilik olasılıkla, sınırlıdır.
Elektroensefalografi (EEG), doğrudan TMS serebral tepkisini ölçmek için bir fırsat sağlar ve neokorteks geniş alanları arasında serebral reaktivite değerlendirmek için de kullanılabilir. EEG (TMS-EEG) ile TMS entegre Çalışmalar TMS korteks 9,10 yankısını bulan ve tekrarlanabilir ve 11-13 güvenilir aktivite dalgaları üreten göstermiştir. uyarılmış aktivite yayılmasını değerlendirerekFarklı davranış eyalette ve farklı görevler de, TMS-EEG nedensel insan beyin ağlarının 10,14-16 dinamik etkili bağlantı prob kullanılır olmuştur. TMS-EEG önlemler şizofreni 17 DEHB 18 arasında değişen hastalıklarda önemli anormallikler gösterilmiştir ve bu tür kalıcı bitkisel 19 olarak bilinç bozukluklarında var. Ayrıca, çeşitli gruplar eşleştirilmiş-darbesinin EEG bağıntılar epilepsi 20,21 olan hastalarda anormal TMS-EMG ölçümlerini belirledik. Özellikle ilgili daha önceki çalışmalarda da anormal uyarılması uyarılmış EEG aktivitesi epilepsi 22-25 olan hastalarda görülür olduğunu ileri sürmüşlerdir.
Beyin devrelerini değerlendiren bir diğer yolu dinlenme hali fonksiyonel bağlantısı MRG (rs-fcMRI), kan oksijenlenme düzeyinde zamanla farklı beyin bölgelerinin 26 bağımlı (BOLD) sinyali korelasyon değerlendiren bir teknikle yoluyla olmaktadır. kullanılarak yapılan çalışmalarrs-fcMRI insan beyni nöropsikiyatrik hastalıklar rs-fcMRI 30 tarafından tanımlanan belirli büyük ölçekli dağıtılmış sinir ağları içinde ortaya çıkabilir, etkileşim bölgelerin 26-29 belirgin ağlar halinde organize olduğunu göstermiştir, ve beyin ağları RS aracılığıyla tespit olduğunu fcMRI genellikle nöropsikiyatrik hastalık durumlarında 31,32 anormal bulunmaktadır. Potansiyel klinik uygulamalar açısından, rs-fcMRI az maruz işbirliği güven ve değişken performansı üzerindeki endişe dahil olmak üzere geleneksel görev tabanlı fMRI uygulaması 33 üzerinde birçok avantajı vardır. Sonuç olarak, son zamanlarda farklı hastalık durumlarında rs-fcMRI değişiklikleri keşfetmek çalışmaların bir patlama olmuştur. Ancak, rs-fcMRI sınırlamaları biri olup olmadığı ve nasıl BOLD sinyal korelasyon (veya anticorrelations) nöronal iletişimin temelini oluşturan elektrofizyolojik etkileşimleri ile ilgili belirlenmesinde zorluk. Konuyla ilgili bir sorun ofte olmasıdırn çeşitli hastalık durumlarında görülen rs-fcMRI değişiklikler fizyolojik öneme sahip belirsiz olsun. epilepsi getirmedi Özellikle, rs-fcMRI anormallikler sadece interiktal epileptiform geçici nedeniyle, ya da bağımsız olarak bu tür elektrofizyolojik anormalliklerin mevcut olup olmadığı bilinmemektedir; eşzamanlı EEG-fMRI bu olasılıklar 34 arasında değerlendirilmesine yardımcı olmak için gereklidir.
TMS farklı kortikal bölgelerinde aktivasyon geçici ya da sürekli bir değişiklik oluşturmak için kullanılabilir ve böylece, TMS çalışmaları nedensel Matür hal fMRI bağlantı desen önemini değerlendirmek için bir yol sağlar. Bir yaklaşım, farklı hastalık durumlarında tedavi uyarım çalışmalarına rehberlik etmek rs-fcMRI kullanmaktır; TMS işlevsel olarak farklı hastalık durumlarında bu functio olmayan bölgeleri hedefleyen TMS daha etkili tedavi edici olarak daha olasıdır ilgili olduğu bilinen yerlerde bağlı bölgelere hedef olduğu beklenebilirnal bağlantı ve aslında birkaç çalışmada bu 35,36 için ön kanıtlar bulduk. Başka bir yaklaşım nedensel farklı dinlenme-devlet fcMRI desen fizyolojik önemini değerlendirmek için TMS-EEG kullanarak içerecektir. Özellikle, bir spesifik bir hastalık durumu anormal fonksiyonel bağlantı gösteren bölgeler, sağlıklı deneklere göre hastalarda uyarılması için farklı bir tepki göstermesi gerekir hipotezi test etmek ve bu fizyolojik anormallikler anormal uyarılması ile spesifik olarak (ya da esas olarak) mevcut olduğu için bağlı bölgesi.
Yukarıdaki göstermek için, gelişimsel beyin anomalisi periventriküler nodüler heterotopi (PNH) 37 rs-fcMRI, TMS ve EEG epilepsi hastalarında kortikal hipereksitabilite keşfetmek için kombine edildiği bir çalışmada bir örnek oluşturmaktadır. adolescent- veya yetişkin başlangıçlı epilepsi klinik mevcut PNH, okuma özürlü ve normal inte olan hastalarlligence ve 38,39 nöro yanal ventriküllere komşu gri maddenin anormal nodül var. Önceki çalışmalar heterotopik gri cevher bu periventriküler nodüller yapısal ve işlevsel neocortex 40,41 ayrık odaklar bağlı olduğunu göstermiştir ve bu epileptik nöbetler o epileptogeneze düşündüren, neokortikal bölgelerde, heterotopik gri madde, ya da her ikisi aynı anda 42 kaynaklanabilir bu hastaların bir devre olgudur. TMS-EEG rehberlik dinlenme-devlet fc-MR kullanarak, nedeniyle PNH aktif epilepsisi olan hastaların kortikal hipereksitabilite kanıt olduğunu ve bu hipereksitabilite derin nodüller anormal fonksiyonel bağlantısı olan bölgelerle sınırlı olduğu görülmektedir gösterdi.
protokol, iki ayrı oturumda yapılır. İlk oturumu sırasında, yapısal ve dinlenme-devlet kan oksijenlenme seviyesi bağımlı (BOLD) kontrast MRG sekansları elde edilir(Hastalar için), ya da (sağlıklı kontroller için) sadece yapısal MRG sekansları. Birinci ve ikinci seans arasında, istirahat-devlet fonksiyonel bağlantı analizi hastalar için kortikal hedefleri tanımlamak için kullanılır ve bu hedeflerin elde edilir için MNI koordine eder. (MNI koordinatları dayalı) eşdeğer kortikal hedefler sonra her sağlıklı kontrol konu için tespit edilir. İkinci oturumda, TMS-EEG veri elde edilir.
Bu yazıda verilen örnekte, fonksiyonel-bağlantı MR analizleri bir in-house yazılım araç kutusu ve MRG yazılımını 43,44 kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Nöro-navigasyon TMS gerçek zamanlı MR nöronavigasyon bir transkraniyal manyetik uyarıcı ile yapıldı. EEG TMS tarafından amplifikatör doygunluğu önlemek için örnek ve tut devresi kullanan 60 kanallı TMS uyumlu sistemi ile kaydedildi. EEG verileri MATLAB R201 çalışan özel komut ve EEGLAB araç 45 (sürüm 12.0.2.4b) kullanılarak analiz edildi2b.
Dinlenme-devlet fonksiyonel bağlantı MRG insan beyninin ağ bağlantısını tespit etmek ve farklı hastalık durumlarında 26,31,32 meydana bağlantı değişiklikleri tanımlamak için kullanılır olmuştur. fMRI fonksiyonel bağlantı BOLD sinyal korelasyon tanımlanmasına dayalı olarak kan oksijenlenme değişiklikleri altında yatan nöral aktivitenin, nedensel önemi ve bu fMRI bağlantı bulguların fizyolojik alaka ile önemsiz olmayan bir ilişki var gibi Ancak, ve belirsizdir. TMS belirli kort…
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to thank Emily L. Thorn, B.A., for her assistance with the Source estimation of evoked electrical activity Section. MMS was supported by a KL2/Catalyst Medical Research Investigator Training award from Harvard Catalyst/The Harvard Clinical and Translational Science Center (National Center for Research Resources and the National Center for Advancing Translational Sciences, National Institutes of Health Award KL2 TR001100). CJC was supported by a grant from the National Institutes of Health (5K12NS066225). APL was supported in part by grants from the Sidney R. Baer Jr. Foundation, the National Institutes of Health (R01 HD069776, R01 NS073601, R21 MH099196, R21 NS082870, R21 NS085491, R21 HD07616), and Harvard Catalyst/The Harvard Clinical and Translational Science Center (NCRR and the NCATS, NIH UL1 RR025758). BSC was supported by the National Institute of Neurological Disorders and Stroke (R01 NS073601).
3T MRI scanner | |||
MRI functional connectivity software | |||
MRI image viewing software | MRICron | ||
Transcranial Magnetic Stimulator | Nexstim | eXimia Stimulator | Can use stimulators from other suppliers e.g. Magventure, Magstim |
MRI neuronavigation system | Nexstim | NBS v3.2.1 | Alternative MRI neuronavigation system e.g. Brainsight, Localite |
TMS-compatible EEG system | Nexstim | Eximia EEG | Alternatives: Brain Products, Synamps, ANT |
Matlab | Mathworks | R2012b | Alternatives: Octave |
EEGLab | |||
Minimum Norm Estimate (MNE) software | |||
FreeSurfer |