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Neuroscience

Kombinierte Transcranial magnetische Anregung und Elektroenzephalographie des dorsolateralen präfrontalen Kortex

Published: August 17, 2018 doi: 10.3791/57983
Automatic Translation
1, 1, 1, 1,2, 1,2
1Temerty Centre for Therapeutic Brain Intervention at the Centre for Addiction and Mental Health, 2Department of Psychiatry and Institute of Medical Science, Faculty of Medicine, University of Toronto

Summary

Die hier vorgestellten Protokoll ist für TMS-EEG-Studien unter Verwendung intracortical Erregbarkeit Test-Retest-Design-Paradigmen. Die Absicht des Protokolls ist es, zuverlässige und reproduzierbare kortikale Erregbarkeit Maßnahmen für die Beurteilung der neurophysiologischen funktionieren im Zusammenhang mit therapeutischen Interventionen bei der Behandlung neuropsychiatrischer Erkrankungen wie schweren Depressionen führen.

Abstract

Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine nicht-invasive Methode, die neuronale Erregung in der Hirnrinde durch kurze, zeitlich veränderliche Magnetfeld Impulse erzeugt. Die Einleitung der kortikale Aktivierung oder die Modulation hängt die Hintergrund-Aktivierung von Neuronen der kortikalen Region aktiviert, um die Merkmale von der Spule, seine Position und die Ausrichtung in Bezug auf den Kopf. TMS in Kombination mit gleichzeitigen Electrocephalography (EEG) und Neuronavigation (nTMS-EEG) ermöglicht die Beurteilung der Cortico-kortikale Erregbarkeit und Konnektivität in fast allen kortikalen Bereichen reproduzierbar. Dieser Fortschritt macht nTMS-EEG ein leistungsfähiges Werkzeug, das einschätzen kann, Gehirn Dynamik und Neurophysiologie im Test-Retest-Paradigmen, die für klinische Studien erforderlich sind. Grenzen dieser Methode sind Artefakte, die die ursprünglichen Gehirn Reaktivität auf Stimulation zu decken. So kann der Prozess des Entfernens Artefakte auch wertvolle Informationen extrahieren. Darüber hinaus sind die optimalen Parameter für die dorsolateralen präfrontalen (DLPFC) Stimulation nicht vollständig bekannt und aktuellen Protokolle nutzen Abweichungen von den motorischen Kortex (M1) Stimulation Paradigmen. Hoffe jedoch sich entwickelnden nTMS-EEG-Entwürfe zur Behebung dieser Probleme. Die hier vorgestellten Protokoll stellt einige Standardverfahren für die Beurteilung der neurophysiologischen funktionieren von Stimulation, der DLPFC, die bei Patienten mit Behandlung resistent psychiatrischen Erkrankungen angewendet werden kann, die Behandlung zu, wie erhalten transkranielle Gleichstrom Stimulation (tDCS), repetitive Transkranielle Magnetstimulation (rTMS), magnetische Beschlagnahme Therapie (MST) oder Elektrokrampftherapie (ECT).

Introduction

Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine Neurophysiologische Werkzeug, das für die nicht-invasive Beurteilung der kortikale neuronale Aktivität durch den Einsatz von rapid, zeitlich veränderliche Magnetfeld Pulse1. Diese Magnetfeld Impulse induzieren einen schwachen Strom im oberflächlichen Kortex unterhalb der Spule die Membran-Depolarisation führt. Die anschließenden kortikale Aktivierung oder Modulation bezieht sich direkt auf die Merkmale der Spule, Winkel und Ausrichtung an den Schädel2. Die Wellenform des Impulses von der Spule entladen und der zugrunde liegenden Zustand der Neuronen beeinflussen auch die daraus resultierende kortikale Aktivierung3.

TMS ermöglicht eine Beurteilung der kortikalen Funktionen von Verhaltensstörungen oder motorischen Reaktionen hervorzurufen oder durch die Unterbrechung der aufgabenbezogenen Verarbeitung. Die Erregbarkeit des Cortico-spinalen Prozessen ausgewertet werden kann, durch Aufnahme elektromyographische (EMG) Reaktionen hervorgerufen von TMS Einzelimpulse über den motorischen Kortex, während intracortical exzitatorischen (intracortical Erleichterung; ICF) und hemmenden Mechanismen (kurze und lange intracortical Hemmung; SICI und LICI) können mit gepaart-Puls TMS sondiert werden. Repetitive TMS können verschiedene kognitive Prozesse stören, sondern dient in erster Linie als therapeutisches Werkzeug für eine Vielzahl von neuropsychiatrischen Störungen. Darüber hinaus kann die Kombination von TMS mit gleichzeitiger Elektroenzephalographie (TMS-EEG) zur Cortico-kortikale Erregbarkeit und Konnektivität4bewerten. Schließlich wenn die Verwaltung von TMS mit Neuronavigation (nTMS) geliefert wird, wird es ermöglichen, für genauen Test-Retest-Paradigmen, da der genaue Ort der Stimulation aufgezeichnet werden kann. Der Großteil der kortikalen Mantel kann gezielt und stimuliert (auch für die Regionen, die keine messbare physikalischen oder Verhaltensstörungen Antworten) damit der Hirnrinde kann funktional zugeordnet werden.

Das EEG-Signal, hervorgerufen von Einzel- oder paarweise Pulse TMS kann die Bewertung von Cortico-kortikale Konnektivität5 und den aktuellen Zustand des Gehirns erleichtern. Der TMS-induzierte elektrische Strom führt Aktionspotentiale, die Synapsen aktivieren können. Die Verteilung der postsynaptischen Ströme kann durch EEG6aufgezeichnet werden. Das EEG-Signal kann verwendet werden, zu quantifizieren und zu lokalisieren synaptische Stromverteilungen durch Dipol7 oder Minimum-Norm Schätzung8, Modellierung, Multichannel-EEG eingesetzt wird, als mit der Leitfähigkeit Struktur des Kopfes entfielen. Kombinierte TMS-EEG kann eingesetzt werden, um die kortikalen hemmenden Prozesse9, Schwingungen10, Cortico-kortikale11 und Wettstreite Interaktionen12und kortikale Plastizität13zu studieren. Am wichtigsten ist, kann TMS-EEG Sonde Erregbarkeit Veränderungen während der kognitiven oder motorischen Aufgaben mit guten Test-Retest-Zuverlässigkeit-14,-15. Wichtig ist, hat TMS-EEG das Potenzial, neurophysiologischen Signale zu bestimmen, die als Prädiktoren für Reaktion auf therapeutische Interventionen (rTMS oder pharmakologische Wirkungen) im Test-Retest-Designs16,17dienen kann.

Die Grundsätze der Neuronavigation für TMS basiert auf den Grundsätzen der rahmenlose Stereotaxie. Die Systeme verwenden eine optische tracking System18 , die eine Licht emittierende Kamera beschäftigt, die mit Licht reflektierenden optischen Elementen an den Kopf (über eine Referenz-Tracker) und der TMS Spule befestigt kommuniziert. Neuronavigation ermöglicht die Lokalisierung der Spule auf dem 3-d-MRT-Modell mit Hilfe einer Digitalisierung Nachschlagewerk oder Stift. Die Verwendung der Neuronavigation erleichtert die Erfassung der Spule Ausrichtung, Position und Ausrichtung auf das Thema Kopf sowie die Digitalisierung der Elektrodenpositionen EEG. Diese Funktionen sind wichtig für die Test-Retest gestalterische Experimente und präzise Stimulation von einer angegebenen Position im dorsolateralen präfrontalen Kortex.

Um ein TMS-EEG-Protokoll in einem Test-Retest-Experiment, es zu nutzen müssen präzise Ausrichtung und konsequente Stimulation der kortikalen Region zuverlässige Signale zu erhalten. TMS-EEG-Aufzeichnung kann anfällig für verschiedene Artefakte sein. Das TMS induzierte Artefakt auf die EEG-Elektroden kann mit Verstärkern, die nach einer Verzögerung19,20 wiederherstellen können oder mit Verstärkern, die gesättigten21nicht gefiltert werden. Jedoch andere Arten von Artefakt durch Augenbewegungen oder blinkt, kraniale Muskelaktivierung in der Nähe der EEG-Elektroden, zufällige Elektrode Bewegung und ihrer Polarisation und durch die Spule erzeugt klicken oder somatischen Empfindung berücksichtigt werden muss. Sorgfältige Thema Vorbereitung, die Elektrode Impedanzen unter 5 kΩ, Immobilisierung der Spule über die Elektroden und einen Schaum zwischen Spule und Elektroden zur Verringerung von Vibrationen (oder einen Abstandhalter, Niederfrequenz Artefakte22zu beseitigen), sorgt für Ohrstöpsel und sogar auditive Maskierung sollte verwendet werden, um diese Artefakte23zu minimieren. Die hier vorgestellten Protokoll stellt ein Standardverfahren für die Beurteilung der neurophysiologischen funktionieren, wenn die Stimulation über den dorsolateralen präfrontalen (DLPFC) angewendet wird. Der Schwerpunkt liegt auf gemeinsame gepaart-Puls-Paradigmen, die in den Studien von M19,15,16validiert worden sind.

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Protocol

Alle hier vorgestellten Versuchsverfahren wurden durch unsere örtlichen Ethikkommission nach Richtlinien der Deklaration von Helsinki genehmigt.

1. Registrierung für Neuronavigated TMS-EEG

  1. Erhalten Sie eine hohe Auflösung ganzer Kopf T1-gewichteten strukturellen MRT für jeden Teilnehmer. Scannen Sie nach den Herstellerrichtlinien Neuronavigation.
  2. Laden Sie die Bilder auf dem Navigationssystem. Überprüfen Sie, ob MRTs korrekt gescannt werden. Wählen Sie die Himmelsrichtungen (Pre-Ohrakupunktur Punkte, das Nasion und die Nasenspitze). Legen Sie die Stimulation Ziele (basierend auf Anatomie oder auf dem Kopf Koordinaten, MNI oder Talairach Koordinaten).
  3. Setze den Kopf Tracker so damit es nicht während der Stimulationssitzung verschieben und freie ermöglichen Bewegung der TMS Spule. Haben Sie die Teilnehmer einfügen die Ohrstöpsel, bevor die Registrierung beginnt.
  4. Ausrichten des Teilnehmers Kopf auf das 3D-Modell MRI. Berühren Sie am Kopf des Teilnehmers mit der Digitalisierung Stift auf die Himmelsrichtungen, die auf den Bildern von der MRI-Stapel ausgewählt wurden. Wählen Sie und markieren Sie weitere Punkte über die parietalen, temporalen und okzipitalen Bereiche des Kopfes, die Registrierungsfehler in jenen Bereichen zu reduzieren.
  5. Überprüfen Sie die Registrierung. Ort der Digitalisierung Feder am Kopf des Teilnehmers. Überprüfen Sie die Darstellung auf dem Computer. Wenn es nicht auf den entsprechenden Punkt in der Herr ist, wiederholen Sie Schritt 1.4.
  6. Kalibrieren Sie die TMS Spule gebräuchlich (in einigen Systemen kann, die dieser Schritt nicht erforderlich ist).
    1. Legen Sie die Tracker auf der Spule.
    2. Legen Sie die Spule auf den Kalibrierblock, so dass alle Tracker von der Kamera sichtbar sind.
    3. Drücken Sie die Schaltfläche "Kalibrierung" auf dem Computerbildschirm und halten Sie die Spule in der Kalibrierung Position für 5 s.

(2) TMS-EEG-Experiment

  1. Setzen Sie die EEG-Kappe auf dem Kopf und bereiten Sie die Elektroden
    1. Wählen Sie eine Mütze, die den Kopf passt. Sicherstellen Sie, dass alle Elektroden fest die Kopfhaut berühren sind und sind funktional. Wenn mehr als 2 Elektroden nicht funktionieren, verwenden Sie eine andere Kappe von der gleichen oder kleineren Größe.
    2. Platzieren Sie die Cz-Elektrode am Scheitelpunkt, auf halbem Weg zwischen der Verbindungslinie der Nasion und Inion und die Iz-Elektrode über die Inion.
      Hinweis: Platzieren Sie die vertikalen (über und unter dem Auge kontralateralen Auge Stimulation) und/oder horizontalen Elektroden (links vom linken Auge und direkt von der rechten Seite, ein wenig über jede Zygomatic Knochen) für Electrooculography (EOG).
    3. Passen Sie die stumpfe Spitze der Spritze und elektrisch leitfähige Gel einfüllen. Setzen Sie die Spitze in das Loch der Elektrode, und dann drücken Sie den Kolben Flansch bis gibt es etwas Paste auf der Haut. Peeling der Kopfhaut mit leicht kreuzähnliche bewegt sich mit der stumpfen Spitze. Stellen Sie sicher, dass die Paste nicht verschütten ist, über den Rand zu Überbrückung zu vermeiden (Kurzschluss zwischen den Elektroden).
  2. Platzieren Sie die EMG-Elektroden. Platzieren Sie zwei Elektroden in Einweg-Scheibe (Durchmesser von ca. 30 mm) über den richtigen Abductor Pollicis Brevis Muskel (APB) für eine Bauch-Sehne-Montage. Legen Sie den Boden nach den Richtlinien des Herstellers.
  3. Starten Sie die Kopf Registrierung. Führen Sie die Schritte 1,3-1,6. Verwenden Sie die MNI oder Talairach Koordinaten der DLPFC.
  4. Hot-Spot und motorischen Schwelle.
    1. Fügen Sie einen Schwamm (Kunstfaser hergestellt aus Polyutherane) unter der Spule um die Spule Vibration über die Elektroden während der TMS-Impulse zu minimieren. Beachten Sie, dass der Schaum ca. 10 mm dick sein sollte.
    2. Weisen Sie die Teilnehmer in Ruhe sein – komfortabel und entspannt Hände, Beine und Wirbelsäule.
    3. Der Hot Spot zu finden. Ziel der motor-Regler-24 als das erste Wahrzeichen der kortikalen Repräsentation der APB in M1 und bewegen die Spule bis APB Bewegung entspricht. Verwenden Sie TMS-Intensitäten erinnert an Kolleginnen und Kollegen der rund 500 µV über APB. Optimieren Sie die Spule Ausrichtung durch eine Änderung seiner Winkel und Neigung, die größte Antwort über den Hotspot zu erwähnen.
    4. Sparen Sie die Spule Positionierung in der Neuronavigator-Software und reduzieren Sie die Ausgangsintensität in Schritten von 2 – 3 %. 10 Impulse zu geben und wenn mehr als 5 von 10 MEP Antworten ergeben sich über 50 µV, dann weiter zu reduzieren die Intensität.
    5. Wenn weniger als 5 von 10 Reaktionen hervorgerufen werden, erhöhen Sie die Intensität in Schritten von 1 – 2 %. MT ist als die Intensität dargestellt, die Abgeordneten, die größer als 50 µV 5 von 10 Mal25produziert. Das Inter-Stimulus-Intervall (ISI) für MT sollte länger als 1 s, in der Regel bei 3, 4 oder 5 s gesetzt.
  5. Passen Sie die Intensität, mit den folgenden Schritten:
    1. Start bei 120 % des MT Intensität, Mitglieder des Europäischen Parlaments über M1 von 500 bis 1.500 µV. zu produzieren 10 Impulse mit dieser Stimulator Leistung aufnehmen, so dass die durchschnittliche Antwort 1 ist mV. Erhöhen oder verringern Sie die Intensität in Schritten von 1 – 2 % bis erreichte einen Durchschnitt von 1 mV.
    2. Für die Reizintensität, wählen Sie die Intensität prozentual Stimulator-Ausgang, zB., 110 %, 120 %, etc..
    3. Finden Sie das entsprechende induzierte Feld in V/m (wenn das System erlaubt). Legen Sie die Spule über DLPFC; die Berechnung der induzierten Feldes identisch mit der über M1 für die gleiche kortikale Tiefe wird der Stimulator Ausgabe justiert.
  6. Die EEG-Elektroden zu digitalisieren, so dass ihre Position für die Anatomie des Gehirns registriert ist.
    Hinweis: Dies ist ein sehr wichtiger Schritt für die Suche nach der Verteilung der neuronalen Aktivierung und genaue Neupositionierung der Elektroden in der Follow-up-Sitzung.
  7. Das TMS-EEG aufzeichnen
    1. Ersetzen Sie die Ohrstöpsel mit Ohrstöpsel mit Luftschläuchen Verbindung zu Audio-Maskierung (zB., weißes Rauschen) falls vorhanden und Kopfhörer über sie hinzufügen. Spielen Sie die Audio-Maskierung nur während TMS Puls Lieferung.
      Hinweis: Dieser Schritt kann angewendet werden zum Schritt 2.4.2 ohne Wiedergabe der Audio-Maskierungs und mit Sorgfalt so Head Tracker nicht verschoben werden.
    2. Montieren Sie die Spule auf die Spule Halter und stellen Sie sicher, dass die Spule nicht bewegen oder drücken Sie die Elektroden unter ihm. Stellen Sie sicher, dass der Schwamm zwischen den Elektroden und der Spule ist.
    3. Entfernen Sie alle aktiven Bildschirme aus der Sicht des Teilnehmers. Geben Sie Anweisungen an die Teilnehmer zu starren auf einen festen Punkt, nicht seine/ihre Kopfposition während TMS Lieferung ändern, nicht zwischen den Pulsen TMS blinken.
    4. Schalten Sie alle Leuchtstoffröhren. Ausführen einzelner Puls TMS, SICI, ICF und LICI in zufälliger Reihenfolge für jeden Teilnehmer. 100 Einzel- und gekoppelten Impulse zu geben. Verwenden Sie verschiedene ISI von 3 – 4 s (±20 %) oder eine Konstante von 3 – 5 s (siehe Hinweis). Geben Sie eine Pause von 3 – 5 min zwischen jede Bedingung, so dass die Teilnehmer entspannen und dehnen kann.
      Hinweis: SICI und ICF beinhalten eine gepaart-Puls TMS Paradigma mit einem Eingangssignale Klimaanlage Stimulus (CS) und ein überschwelliger Test Stimulus (TS). Die in diesem Protokoll verwendeten CS ist 80 % der MT und der TS mit der Intensität evozieren eine 1 mV MEP Peak to Peak26. Die Inter Impulsabstand verwendet für optimale SICI ist bei 2 ms und ICF um 12-13-27. LICI-Paradigma beinhaltet das ISI für die Paarung von einer supra-Schwelle CS an die Intensität evoziert die 1 mV MEP Spitze-Spitze gefolgt von einem anderen überschwelliger TS erneut mit der Intensität, die eine 1 mV MEP Peak-to-Peak hervorgerufen und ein Inter Impulsabstand von 100 ms. sowohl Einzel- und gekoppelten Puls Paradigmen richtet sich nach den Stimulator Ladezeit (unser System können paarweise Impulse alle 4 s), die Menge an Sitzungen (länger Experimente würde erfordern kleinere ISI nicht überfrachten die Teilnehmer) und die Analyse, die gonna stattfinden. In dieser Studie verwendeten wir eine Konstante ISI 5 s aufgrund unserer Stimulator und auch weil wir würden müssen mehrere Zyklen von niedriger Frequenz band (Theta-Rhythmus) für die Zeit-Frequenz und Leistung Spektrumanalyse.

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Representative Results

Abbildung 1 A zeigt die TMSevoked Potenziale nach DLPFC Stimulation über die F3-Elektrode nach durchschnittlich 100 Epochen aus jeder Sitzung für einen gesunden Freiwilligen. In dieser Abbildung heben wir die Wirkung von der CS auf der TS im Vergleich zu den einzelnen Impuls Zustand wenn TS ist allein angewendet. Die CS moduliert die N100 Durchbiegung auf nachvollziehbare Weise auch in einem Fach. In den Sitzungen SICI und LICI N100 ist in der Regel erhöht und im ICF Rückgänge der absoluten Werte im Vergleich zu den SP Zustand16. In Abbildung 1B, die topographische Verteilung der N100 Komponente des SP hat SICI und ICF-Paradigma bilateral lokalisiert wurden, wie in vielen früheren Studien16,17,28, 29.

Figure 1
Abbildung 1 : TMS-EEG Maßnahmen der kortikale Erregbarkeit. (A) Grand Durchschnitt von TMS-evozierten EEG Antworten von DLPFC ROI Elektroden nach DLPFC Stimulation. (B) N100 Werten geplottet topographisch über alle Elektroden für jede Sitzung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

TMS-EEG ermöglicht die direkte und nicht-invasive Stimulation der meisten kortikalen Bereiche und die Übernahme der daraus resultierenden neuronaler Aktivität mit sehr guter räumlich-zeitliche Auflösung30, vor allem, wenn Neuronavigation genutzt wird. Der Vorteil dieser methodischen Fortschritt ist auf die Tatsache, dass TMS-evozierten EEG-Signale aus der elektrische neurale Aktivität stammen und es ein Index von Cortico-kortikale Erregbarkeit ist. Dies hat enormes Potenzial bei neuropsychiatrischen Patientenpopulationen wo TMS-EEG als Biomarker des aktuellen und zukünftigen therapeutischen Interventionen genutzt werden kann.

Der wichtigste Schritt des Protokolls ist die Vorbereitung der Elektroden und die Bestimmung der Intensität der Stimulation. Dies liegt daran das TMS-EEG-Signal das TMS-Artefakt, unabhängig von der Art der verwendeten Verstärker31anfällig ist. Die Elektroden sollten sehr sorgfältig vorbereitet werden, so sie nicht mit einander zu überbrücken und ihre Impedanz ist unter 5 kΩ gehalten, und das Signal-Rausch-Verhältnis hoch ist. Darüber hinaus kann ein Schwamm hergestellt aus künstlichen Polyutherane Faser von ca. 5-10 mm eingestellt unter der Spule den mechanischen Druck und das Artefakt der Spule Klickgeräusch durch Knochenleitung weiter reduzieren.

Die MT bestimmt die TMS-Intensität; Daher sollte gemessen werden, genau wie höhere Intensitäten zu größeren Artefakte und weniger fokalen Stimulation führen werden, während kleinere Intensitäten sehr schwache Signale führen können. So sollte der motor Hot Spot gefunden werden, mit Hilfe der Neuronavigation und die MT wird mit EMG Aufnahmen geschätzt (Lärm unter 50 µV und Muskeln völlig entspannt). Allerdings sollte man nicht vergessen, dass die Focality und die Genauigkeit der einzelnen Stimulation leitet sich von der Form und Dauer des TMS32 pulsiert.

Das Fehlen von Maßnahmen für eine DLPFC Schwelle schlägt auch vor, dass die Intensität sollte die Amplitude der geschätzten induzierte elektrische Feld23 angepasst und nicht der Stimulator Intensität Ausgabe als die herkömmliche Methode anhand. Dies erfordert, dass die MT-Intensität in V/m für eine bestimmte kortikale Tiefe und dann die gleiche Tiefe und V/m verwendet werden, um den Stimulator Ausgangsintensität für DLPFC Stimulation Neuberechnung geschätzt werden muss. Dies ist ein besonders wichtiges Thema für zukünftige Untersuchung der gekoppelten Puls Protokolle wie die vorgestellt, hier, wo der TS immer bei überschwelliger Intensitäten. Allerdings gibt es eine Notwendigkeit, die DLPFC Intensität aus den aufgezeichneten TEP33 oder Schwingungen34 während der DLPFC Stimulation zu definieren, wie es in den letzten Studien für M1 durch kortikalen und nicht kortikospinalen Maßnahmen vorgeschlagen hat.

Wichtig ist, sollte die DLPFC Stimulation Website anhand der MNI oder Talairach Koordinaten ausgewählt und auf MRIs die Neuronavigation eingefügt werden. Die MNI-Koordinaten für die linke DLPFC (-35, 45, 38) stammen aus einer Studie, die Identifizierung dieser Website als optimale, basierend auf klinischen Ergebnisse und ruhenden Zustand funktionelle Verknüpfung35. Die Positionierung der Spule in Bezug auf Ausrichtung und Neigung ist eine weitere wichtige Variable. Es gibt zwei Möglichkeiten zu nähern Spule Ausrichtung und Neigung: a) 45 Grad auf der Mittellinie mit dem Griff auf die seitlichen Teile der Hemisphäre9 und b) senkrecht zu der mittleren Frontales Sulcus mit Lateral, medial aktuellen Richtung14zeigen. Die erste ist in der Regel angewendet, wenn keine Navigation vorhanden ist, während der zweite echte MRI erfordert und Navigation und es induziert das Maximum des Feldes. Vor Beginn der Aufnahmen, fine-tuning der Spule so dass es minimale Muskel Artefakte5 evoziert, ohne Auswirkungen auf die Stimulation physiologischen Reaktionen durchgeführt werden muss (kleine Änderungen von 1-2 mm von der Mitte der Spule sowie die Neigung und subtile Änderungen der Bildschirmausrichtung).

Vergleich der verschiedenen Orientierungen muss getan werden, da gibt es keine bekannten Studien, die die Wirkung der anderen Spule Positionierung über DLPFC untersucht haben. Noch wichtiger ist, gibt es eine Notwendigkeit einer Methode definieren der DLPFC Hotspot basierend auf EEG-Maßnahmen in einer ähnlichen Weise, dass die M1-Hot-Spot durch die EMG definiert ist. Schließlich ist hier ein sehr wichtiger Aspekt, die Positionierung der Elektroden und deren Digitalisierung von ihrem Standort. In Test-Retest-Designs sobald der Verschluss für das Follow-up-Experimente, platziert ist, sollte die Elektroden digitalisiert werden. Dann sollten beide hauchten (der ersten und das entstellen Experiment) visualisiert werden, über das 3D-Modell MRT oder MRI-Vorlage (was eine gute zuverlässige Lösung sein kann, wenn einzelne MRTs erlangt werden können). Dann sollte die GAP gegebenenfalls verschoben werden damit die Positionierung über den Schädel der Elektroden in der Follow-up-Experiment entspricht die Positionierung der ersten Messung. Dadurch wird sichergestellt, dass die Daten von den exakten gleichen Positionen der Elektroden abgeleitet werden, die mit dem exakt gleichen Magnetfeld angeregt wurden.

Vor Beginn der Stimulation, sollte der gewählte kortikalen Standort für Hirnnerven Unterquerung der Spule überprüft werden. Daher sollte ein paar Epochen der TMS-EEG aufgezeichnet werden, und die Artefakte ausgewertet. Signal muss daher für Amplituden größer als 70 µV und nicht synchronisierten Hochfrequenz-Low Amplitude Schwingungen (Muskel und Hirnnerven Artefakte) überprüft werden. Solche Artefakte beseitigen kann erfolgen durch feine und subtile Neupositionierung der Spule oder die Ausrichtung nur, wie es in früheren vorgeschlagen wurde Studien36. Während der TMS-EEG-Sitzungen sollte die TMS Spule schließlich überwacht durch Real-Time Neuronavigation und immobilisierten gehalten werden. Der beste Weg ist, es auf ein Stativ oder einen mechanischen Arm montieren. Diese Lösung verhindert außerdem die Spule mit den Händen gegen die Elektroden, Hinzufügen von mechanischem Druck Artefakte auf sie drücken. Alle Änderungen sollten sofort behoben werden und die jeweiligen Epochen gekennzeichnet als schlecht und von der Datenanalyse ausgeschlossen, da EEG Antworten auf TMS sehr empfindlich auf die Störung dieser Parameter37 sind. Diese detaillierten Vorschläge können Test-Retest-Zuverlässigkeit der TMS-EEG in den einzelnen14 und gekoppelten Puls Paradigmen15 über der DLPFC zu gewährleisten. Die Aufmerksamkeit auf diese wichtigen Details wird sichergestellt, dass die Daten die höchste Chance Änderungen in Bezug auf die therapeutische Interventionen zu reflektieren.

TMS-EEG wie jedes andere experimentelle Methode hat seine eigenen spezifischen Grenzen. Das Hauptproblem ist die verschiedenen Arten von Artefakten und die Tatsache, dass TMS-kompatiblen EEG Verstärker nicht die restlichen Artefakte beseitigen. Artefakte aus kranialen Muskeln, können besonders wenn frontale und seitliche Websites über den Schädel stimuliert werden, verdecken und modulieren das EEG-Signal. Diese Artefakte können größer als das TMS-EEG-Signal und dauern in der Regel mehr, so können sie die TEP verdecken. Ähnlich, aber nur in Bereichen wie der DLPFC, TMS großes Auge blinzeln Artefakte hervorrufen können. Darüber hinaus können viele andere Artefakte wie Elektrode Bewegung, Hautgefühl und auditive Aktivierungen durch TMS Spule klicken Sie auf die EEG-Analyse auch (für Details, siehe vorherigen Veröffentlichungen31,38) erschweren. Viel Arbeit auf dem Gebiet hat gerichtet und Ablehnung verschiedener Artefakte, wodurch zuverlässigere räumlich-zeitliche Lokalisierung der Quellen des Gehirns Antworten38,39,40,41 , 42. aber man sollte nicht vergessen, dass die sorgfältige Vorbereitung der Teilnehmer, die Wahl der Ausrüstung und genaue Lage der Messung der Qualität der TMS-EEG Rohdaten bestimmt.

TMS-EEG ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur intracortical Hemmung und Erregung Mechanismen, die im Zusammenhang mit der Stimulation der DLPFC zu bewerten. Indem Sie nur wenige Parameter, ermöglicht es für die Untersuchung von Schaltungen vermittelt durch GABA-A-R (SICI), GABA-B-R (LICI) und NMDAR (ICF). Modulation der verschiedenen TEP-Komponenten durch pharmakologische oder elektromagnetische therapeutische Interventionen dienen als Marker zu identifizieren inhibitorischen und exzitatorischen Neurotransmission, kortikale Plastizität und viele weitere Gehirnzustand ändert und Bedingungen 43. zusätzlich zu den TEP, TMS-evozierten Oszillatorische Aktivität durch Zeitfrequenz und Spektralanalyse kann beurteilen, die natürliche oder die intrinsische Häufigkeit der obigen Schaltung10. Elektrische Gehirn Indizes wie aktuelle Quelle Dichte4 anwendbar für jeden kortikalen Bereich können helfen, um die Mechanismen der Plastizität in beschädigten Gehirn Schaltungen im DLPFC44zu entwirren.

Weitere sind pharmakologische Validierungsstudien diese Paradigmen in der DLPFC notwendig. Allerdings gibt es noch enormes Potenzial für TMS-EEG verwendet werden, um die Mechanismen der verschiedenen therapeutischen Interventionen, wie z. B. Neuromodulation Therapien zu studieren (zB., rTMS, ECT, MST) oder pharmakologischen an gesunden Probanden oder in verschiedenen psychiatrische Erkrankungen9,15,16,17,45,46, aber auch alternative Interventionen oder Kombinationen davon43. TMS-EEG kann vor allem verlässlich bewerten die Gehirn-Dynamik vor und nach einer Intervention und daher potenziell als Biomarker dienen.

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Disclosures

Pantelis Lioumis wurde ein bezahlter Berater für Nexstim Plc. (Helsinki, Finnland) außerhalb der eingereichten Arbeiten (zB., für den Motor und Sprachanwendungen Zuordnung rTMS vor 2017). Reza Zomorrodi ist Mitglied des advisory Board von Vielight Inc. (Toronto, Kanada). Zafiris J. Daskalakis erhält Forschungsförderung von den Canadian Institutes of Health Research (CIHR), National Institutes of Health - US (NIH), Weston Brain Institute, Gehirn-Kanada und der Temerty-Familie durch die CAMH-Stiftung und die Campbell-Forschung Institut. Forschungsförderung und Sachleistungen Geräteträger für eine wissenschaftsinitiierten Studien erhielt er von Brainsway Ltd. und er ist der Standort principal Investigator für drei Sponsor-initiierte Studien für Brainsway Ltd. Magventure erhielt er für diese Studie wissenschaftsinitiierten Sachleistungen Geräteträger. Daniel M. Blumberger erhält Forschungsförderung von den Canadian Institutes of Health Research (CIHR), National Institutes of Health - US (NIH), Weston Brain Institute, Gehirn-Kanada und der Temerty-Familie durch die CAMH-Stiftung und die Campbell-Forschung Institut. Forschungsförderung und Sachleistungen Geräteträger für eine wissenschaftsinitiierten Studien erhielt er von Brainsway Ltd. und er ist der Standort principal Investigator für drei Sponsor-initiierte Studien für Brainsway Ltd. Magventure erhielt er für diese Studie wissenschaftsinitiierten Sachleistungen Geräteträger. Er erhielt Medikamente liefert ein wissenschaftsinitiierten Verfahren Indivior. Er nahm an einem Beirat für Janssen.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde teilweise durch NIMH R01 MH112815 finanziert. Diese Arbeit wurde auch vom Temerty Familienstiftung, Grant-Familienstiftung und Campbell Familie Mental Health Research Institute im Zentrum für sucht- und psychische Gesundheit unterstützt.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
CED Micro1401-3 Cambridge Electronic Design Limited CED Micro1401-3 Digital Data Recocrder
BISTIM'2 Package Option 1 Magstim 3234-00 TMS paired pulse stimulator
Magstim 200'2 Unit (2 items) Magstim 3010-00 TMS stimulators
UI controller Magstim 3020-00 TMS controller
BISTIM'2 UI controller Magstim 3021-00 TMS controller
BISTIM connecting module Magstim 3330-00 TMS connecting module
D70 Alpha Coil - P/N 4150-00 (Alpha 70 mm double coil) Magstim 4150-00 TMS coil
Brainsight Rogue-Resolutions Brainsight 2 Neuronavigator
Model 2024F Intronix 2024F Electromyograph
Neuroscan SynAmps RT 64 channel System Compumedics Neuroscan 9032-0010-01 Electroencephalograph
Quick-Cap electrode system 64 Compumedics Neuroscan 96050255 EEG Cap

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Barker, A. T., Jalinous, R., Freeston, I. L. Non-invasive magnetic stimulation of human motor cortex. Lancet. 1 (8437), London, England. 1106-1107 (1985).
  2. Ilmoniemi, R. J., Ruohonen, J., Karhu, J. Transcranial magnetic stimulation--a new tool for functional imaging of the brain. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 27 (3-5), 241-284 (1999).
  3. Matthews, P. B. The effect of firing on the excitability of a model motoneurone and its implications for cortical stimulation. The Journal of Physiology. 518, Pt 3 867-882 (1999).
  4. Casali, A. G., Casarotto, S., Rosanova, M., Mariotti, M., Massimini, M. General indices to characterize the electrical response of the cerebral cortex to TMS. NeuroImage. 49 (2), 1459-1468 (2010).
  5. Massimini, M., Ferrarelli, F., Huber, R., Esser, S. K., Singh, H., Tononi, G. Breakdown of cortical effective connectivity during sleep. Science. 309 (5744), New York, N.Y. 2228-2232 (2005).
  6. Ilmoniemi, R. J., et al. Neuronal responses to magnetic stimulation reveal cortical reactivity and connectivity. Neuroreport. 8 (16), 3537-3540 (1997).
  7. Scherg, M., Ebersole, J. S. Models of brain sources. Brain Topography. 5 (4), 419-423 (1993).
  8. Hämäläinen, M. S., Ilmoniemi, R. J. Interpreting magnetic fields of the brain: minimum norm estimates. Medical & Biological Engineering & Computing. 32 (1), 35-42 (1994).
  9. Daskalakis, Z. J., Farzan, F., Barr, M. S., Maller, J. J., Chen, R., Fitzgerald, P. B. Long-interval cortical inhibition from the dorsolateral prefrontal cortex: a TMS-EEG study. Neuropsychopharmacology: Official Publication of the American College of Neuropsychopharmacology. 33 (12), 2860-2869 (2008).
  10. Rosanova, M., Casali, A., Bellina, V., Resta, F., Mariotti, M., Massimini, M. Natural frequencies of human corticothalamic circuits. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 29 (24), 7679-7685 (2009).
  11. Groppa, S., Muthuraman, M., Otto, B., Deuschl, G., Siebner, H. R., Raethjen, J. Subcortical substrates of TMS induced modulation of the cortico-cortical connectivity. Brain Stimulation. 6 (2), 138-146 (2013).
  12. Borich, M. R., Wheaton, L. A., Brodie, S. M., Lakhani, B., Boyd, L. A. Evaluating interhemispheric cortical responses to transcranial magnetic stimulation in chronic stroke: A TMS-EEG investigation. Neuroscience Letters. 618, 25-30 (2016).
  13. Chung, S. W., et al. Demonstration of short-term plasticity in the dorsolateral prefrontal cortex with theta burst stimulation: A TMS-EEG study. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 128 (7), 1117-1126 (2017).
  14. Lioumis, P., Kicić, D., Savolainen, P., Mäkelä, J. P., Kähkönen, S. Reproducibility of TMS-Evoked EEG responses. Human Brain Mapping. 30 (4), 1387-1396 (2009).
  15. Farzan, F., et al. Reliability of long-interval cortical inhibition in healthy human subjects: a TMS-EEG study. Journal of Neurophysiology. 104 (3), 1339-1346 (2010).
  16. Cash, R. F. H., et al. Characterization of Glutamatergic and GABAA-Mediated Neurotransmission in Motor and Dorsolateral Prefrontal Cortex Using Paired-Pulse TMS-EEG. Neuropsychopharmacology: Official Publication of the American College of Neuropsychopharmacology. 42 (2), 502-511 (2017).
  17. Premoli, I., et al. TMS-EEG signatures of GABAergic neurotransmission in the human cortex. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 34 (16), 5603-5612 (2014).
  18. Wiles, A. D., Thompson, D. G., Frantz, D. D. Accuracy assessment and interpretation for optical tracking systems. SPIE. 5367, 421-433 (2004).
  19. Iramina, K., Maeno, T., Nonaka, Y., Ueno, S. Measurement of evoked electroencephalography induced by transcranial magnetic stimulation. Journal of Applied Physics. 93 (10), 6718-6720 (2003).
  20. Virtanen, J., Ruohonen, J., Näätänen, R., Ilmoniemi, R. J. Instrumentation for the measurement of electric brain responses to transcranial magnetic stimulation. Medical & Biological Engineering & Computing. 37 (3), 322-326 (1999).
  21. Ives, J. R., Rotenberg, A., Poma, R., Thut, G., Pascual-Leone, A. Electroencephalographic recording during transcranial magnetic stimulation in humans and animals. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 117 (8), 1870-1875 (2006).
  22. Ruddy, K. L., Woolley, D. G., Mantini, D., Balsters, J. H., Enz, N., Wenderoth, N. Improving the quality of combined EEG-TMS neural recordings: Introducing the coil spacer. Journal of Neuroscience Methods. 294, 34-39 (2017).
  23. Massimini, M., et al. Cortical reactivity and effective connectivity during REM sleep in humans. Cognitive Neuroscience. 1 (3), 176-183 (2010).
  24. Yousry, T. A., et al. Localization of the motor hand area to a knob on the precentral gyrus. A new landmark. Brain: A Journal of Neurology. 120, Pt 1 141-157 (1997).
  25. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  26. Chen, R., et al. Intracortical inhibition and facilitation in different representations of the human motor cortex. Journal of Neurophysiology. 80 (6), 2870-2881 (1998).
  27. Saisane, L., et al. Short- and intermediate-interval cortical inhibition and facilitation assessed by navigated transcranial magnetic stimulation. Journal of Neuroscience Methods. 195 (2), 241-248 (2011).
  28. Ferreri, F., et al. Human brain connectivity during single and paired pulse transcranial magnetic stimulation. NeuroImage. 54 (1), 90-102 (2011).
  29. Premoli, I., et al. Characterization of GABAB-receptor mediated neurotransmission in the human cortex by paired-pulse TMS-EEG. NeuroImage. 103, 152-162 (2014).
  30. Rogasch, N. C., Fitzgerald, P. B. Assessing cortical network properties using TMS-EEG. Human Brain Mapping. 34 (7), 1652-1669 (2013).
  31. Ilmoniemi, R. J., Kicić, D. Methodology for combined TMS and EEG. Brain Topography. 22 (4), 233-248 (2010).
  32. Peterchev, A. V., D'Ostilio, K., Rothwell, J. C., Murphy, D. L. Controllable pulse parameter transcranial magnetic stimulator with enhanced circuit topology and pulse shaping. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056023 (2014).
  33. Fecchio, M., et al. The spectral features of EEG responses to transcranial magnetic stimulation of the primary motor cortex depend on the amplitude of the motor evoked potentials. PLOS ONE. 12 (9), 0184910 (2017).
  34. Saari, J., Kallioniemi, E., Tarvainen, M., Julkunen, P. Oscillatory TMS-EEG-Responses as a Measure of the Cortical Excitability Threshold. IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering: a publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 26 (2), 383-391 (2018).
  35. Fox, M. D., Liu, H., Pascual-Leone, A. Identification of reproducible individualized targets for treatment of depression with TMS based on intrinsic connectivity. NeuroImage. 66, 151-160 (2013).
  36. Casarotto, S., et al. Transcranial magnetic stimulation-evoked EEG/cortical potentials in physiological and pathological aging. Neuroreport. 22 (12), 592-597 (2011).
  37. Casarotto, S., et al. EEG responses to TMS are sensitive to changes in the perturbation parameters and repeatable over time. PloS One. 5 (4), 10281 (2010).
  38. Wu, W., et al. ARTIST: A fully automated artifact rejection algorithm for single-pulse TMS-EEG data. Human Brain Mapping. , (2018).
  39. Mutanen, T. P., Metsomaa, J., Liljander, S., Ilmoniemi, R. J. Automatic and robust noise suppression in EEG and MEG: The SOUND algorithm. NeuroImage. 166, 135-151 (2018).
  40. Ilmoniemi, R. J., et al. Dealing with artifacts in TMS-evoked EEG. Conference proceedings: ...Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Annual Conference. 2015, 230-233 (2015).
  41. Rogasch, N. C., et al. Removing artefacts from TMS-EEG recordings using independent component analysis: importance for assessing prefrontal and motor cortex network properties. NeuroImage. 101, 425-439 (2014).
  42. Mutanen, T. P., Kukkonen, M., Nieminen, J. O., Stenroos, M., Sarvas, J., Ilmoniemi, R. J. Recovering TMS-evoked EEG responses masked by muscle artifacts. NeuroImage. 139, 157-166 (2016).
  43. Farzan, F., Vernet, M., Shafi, M. M. D., Rotenberg, A., Daskalakis, Z. J., Pascual-Leone, A. Characterizing and Modulating Brain Circuitry through Transcranial Magnetic Stimulation Combined with Electroencephalography. Frontiers in Neural Circuits. 10, 73 (2016).
  44. Casula, E. P., Pellicciari, M. C., Picazio, S., Caltagirone, C., Koch, G. Spike-timing-dependent plasticity in the human dorso-lateral prefrontal cortex. NeuroImage. 143, 204-213 (2016).
  45. Noda, Y., et al. Characterization of the influence of age on GABAA and glutamatergic mediated functions in the dorsolateral prefrontal cortex using paired-pulse TMS-EEG. Aging. 9 (2), 556-572 (2017).
  46. Fitzgerald, P. B., Maller, J. J., Hoy, K., Farzan, F., Daskalakis, Z. J. GABA and cortical inhibition in motor and non-motor regions using combined TMS-EEG: a time analysis. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 120 (9), 1706-1710 (2009).

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Frage 138 kombinierte Transcranial magnetische Anregung und Elektroenzephalographie kurze intracortical Hemmung lange intracortical Hemmung intracortical Erleichterung Neurowissenschaften repetitive Transkranielle Magnetstimulation magnetische Beschlagnahme Therapie depression
Kombinierte Transcranial magnetische Anregung und Elektroenzephalographie des dorsolateralen präfrontalen Kortex
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Lioumis, P., Zomorrodi, R., Hadas,… More

Lioumis, P., Zomorrodi, R., Hadas, I., Daskalakis, Z. J., Blumberger, D. M. Combined Transcranial Magnetic Stimulation and Electroencephalography of the Dorsolateral Prefrontal Cortex. J. Vis. Exp. (138), e57983, doi:10.3791/57983 (2018).

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