Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Kombinerade transkraniell magnetisk stimulering och elektroencefalografi av dorsolaterala prefrontala Cortex

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

Det protokoll som presenteras här är för TMS-EEG studier utnyttjar intracortical retbarhet test-retest design paradigm. Syftet med protokollet är att producera tillförlitliga och reproducerbara kortikala upphetsning åtgärder för att bedöma neurofysiologiska funktion relaterade till terapeutiska interventioner vid behandling av neuropsykiatriska sjukdomar som egentlig depression.

Abstract

Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) är en icke-invasiv metod som producerar neural magnetiseringen i cortex genom kort, tidsvarierande magnetiska fältet pulser. Inledandet av kortikala aktivering eller dess modulering beror på bakgrunden aktivering av nervceller i regionen kortikala aktiveras, egenskaperna hos spolen av dess ställning och dess orientering med avseende på huvudet. TMS kombinerat med samtidig electrocephalography (EEG) och neuronavigation (nTMS-EEG) möjliggör bedömning av cortico-kortikala upphetsning och connectivity i nästan alla kortikala områden på ett reproducerbart sätt. Detta förskott gör nTMS-EEG ett kraftfullt verktyg som kan korrekt bedöma hjärnan dynamik och neurofysiologi i test-retest paradigm som krävs för kliniska prövningar. Begränsningar av denna metod inkluderar artefakter som täcker den inledande hjärnan reaktiviteten till stimulering. Således kan processen för att ta bort artefakter också extrahera värdefull information. Dessutom de optimala parametrarna för dorsolaterala prefrontala (DLPFC) stimulering är inte helt kända och aktuella protokoll utnyttja variationer från motoriska cortex (M1) stimulering paradigm. Föränderliga nTMS-EEG mönster hoppas dock att hantera dessa frågor. Det protokoll som presenteras här introducerar vissa standard praxis för att bedöma neurofysiologiska funktion från stimulering till den DLPFC som kan användas hos patienter med behandling resistent psykiatriska störningar som får behandlingen som transkraniell likström stimulering (TDC), repetitiva transkraniell magnetisk stimulering (rTMS), magnetisk beslag terapi (MST) eller elektrokonvulsiv terapi (ECT).

Introduction

Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) är ett neurofysiologiska verktyg som gör det möjligt för icke-invasiv bedömning av kortikala neuronal aktivitet med hjälp av snabb, tidsvarierande magnetiska fältet pulser1. Dessa magnetiska fältet pulser inducerar en svag ström i ytliga cortex under spolen som resulterar i membran depolarisation. Den efterföljande kortikala aktivering eller modulering är direkt relaterad till kännetecknen av spolen, dess vinkel och riktning i skallen2. Vågformen i pulsen släpps ut från spolen och den underliggande delstaten nervceller påverkar den resulterande kortikala aktivering3.

TMS kan bedömningen av kortikala funktioner av frammana beteendemässiga eller motoriskt svar eller genom avbrott i uppgiftsrelaterade bearbetning. Retbarhet av cortico-spinal processer kan utvärderas genom inspelning elektromyografisk (EMG) Svaren framkallade från enda TMS pulser över motoriska cortex, medan intracortical excitatoriska (intracortical underlättande; ICF) och hämmande mekanismer (kort och lång intracortical hämning; SICILIAN och LICI) kan vara utforskad med Parade-pulse TMS. Repetitive TMS kan störa olika kognitiva processer, men används främst som ett terapeutiskt verktyg för en mängd olika neuropsykiatriska störningar. Kombinationen av TMS med samtidiga elektroencefalografi (TMS-EEG) kan dessutom användas för att bedöma cortico-kortikala upphetsning och anslutning4. Slutligen, om administrationen av TMS levereras med neuronavigation (nTMS), det kommer att möjliggöra exakta test-retest paradigm eftersom den exakta platsen för stimulering kan registreras. De flesta av kortikala manteln kan riktas och stimuleras (inklusive de områden som inte producerar mätbara fysiska eller beteendemässiga Svaren) således cortex kan funktionellt mappas.

EEG signalen framkallat från enda eller parkopplade puls TMS kan underlätta bedömningen av cortico-kortikala anslutning5 och det aktuella tillståndet för hjärnan. TMS-inducerad elektrisk ström resulterar i handlingspänningar kan aktivera synapser. Fördelningen av postsynaptiska strömmarna kan registreras genom EEG6. EEG signalen kan användas för att kvantifiera och lokalisera synaptic aktuella distributioner genom dipol modellering7 eller minimum-norm uppskattning8, när flerkanals EEG är anställd, och med ledningsförmåga struktur av huvudet stod för. Kombinerade TMS-EEG kan användas för att studera kortikala hämmande processer9, svängningar10, cortico-kortikala11 och interhemispheric interaktioner12och kortikala plasticitet13. Viktigast av allt, kan TMS-EEG probe retbarhet förändringar under kognitiva eller motoriska aktiviteter med bra test-retest tillförlitlighet14,15. Viktigt, har TMS-EEG potential att avgöra neurofysiologiska signaler som kan tjäna som prediktorer för respons till terapeutiska interventioner (rTMS eller farmakologiska effekter) i test-retest mönster16,17.

Principerna för neuronavigation för TMS är baserad på principerna om Ramlösa stereotaxy. Den-system användningen en optisk tracking system18 som sysselsätter en ljusavgivande kamera som kommunicerar med ljus-reflekterande optiska element bifogas både huvudet (via en referens-tracker) och TMS spolen. Neuronavigation möjliggör spole lokalisering på MRI 3D-modellen med hjälp av en digitalisering referensverktyg eller penna. Användning av neuronavigation underlättar infångandet av spole orientering, läge och anpassning till personens huvud samt digitizationen av EEG elektrod positioner. Dessa funktioner är avgörande för test-retest design experiment och för exakt stimulering av en angiven plats inom dorsolaterala prefrontala cortex.

För att utnyttja ett TMS-EEG protokoll i en test-retest experiment, det måste vara korrekt inriktning och konsekvent stimulering av kortikala regionen att få pålitlig signaler. TMS-EEG inspelning kan vara sårbara för olika artefakter. TMS inducerad artefakt på EEG elektroderna kan filtreras med förstärkare som kan återställa efter en fördröjning19,20 eller med förstärkare som inte kan vara mättade21. Dock andra typer av artefakt som genereras genom ögonrörelser eller blinkar, kraniala muskelaktivering i närhet till EEG elektroderna, slumpmässiga elektrod rörelse och sin polarisering och genom spolen Klicka eller somatisk sensation måste beaktas. Försiktig betvinga förberedelse som säkerställer elektrod impedanser nedanför 5 kΩ, immobilisering av spolen över elektroderna och ett skum mellan spole och elektroder att minska vibrationer (eller ett distanselement för att eliminera lågfrekventa artefakter22), öronproppar och även auditiv maskering bör användas för att minimera dessa artefakter23. Det protokoll som presenteras här introducerar en standardprocess för att bedöma neurofysiologiska fungerar när stimulering appliceras över den dorsolaterala prefrontala (DLPFC). Fokus ligger på gemensamma Parade-pulse paradigm som har validerats i studierna av M19,15,16.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alla experimentella procedurer presenteras här har godkänts av vår lokala etiska kommittén efter riktlinjer för Helsingforsdeklarationen.

1. huvud registrering för Neuronavigated TMS — EEG

  1. Skaffa en hög upplösning hela huvudet T1-vägd strukturella MRI för varje deltagare. Skanna enligt neuronavigation tillverkarens riktlinjer.
  2. Ladda upp bilder på navigationssystemet. Kontrollera om MRI scannas korrekt. Välj väderstrecken (pre auricular punkter, nasion och spetsen på näsan). Infoga de stimulering mål (baserat på anatomi eller baserat på huvudet koordinater, MNI eller Talairach koordinater).
  3. Placera head tracker på ett sådant sätt så att det inte flytta under stimulering sessionen och tillåter fri rörelse av TMS spolen. Har deltagaren skäret öronpropparna innan registreringen startar.
  4. Justera deltagarens chef i 3D-MRI-modellen. Tryck på deltagarens huvud med digitalisering pennan på väderstrecken som valdes på bilderna av MRI stacken. Välj och markera ytterligare punkter över de parietala och temporala occipital områdena av huvudet för att minska registreringen felet över dessa områden.
  5. Validera registreringen. Placera digitalisering pennan på deltagarens chef. Kontrollera sin representation på datorn. Om det inte är på den motsvarande punkten i MR, upprepar du steg 1.4.
  6. Kalibrera TMS spolen i användning (i vissa system här steget inte behövs).
    1. Bifoga trackers till spolen.
    2. Placera spolen på kalibrering blocket så alla trackers är synliga från kameran.
    3. Tryck på kalibreringsknappen på datorskärmen och hålla spolen i kalibrering position för 5 s.

2. TMS-EEG Experiment

  1. Placera EEG lock på huvudet och förbereda elektroderna
    1. Välja en mössa som passar huvudet. Säkerställa att alla elektroder tätt vidrör hårbotten och är funktionella. Om mer än 2 elektroder inte fungerar, sedan använda en annan cap av samma eller mindre storlek.
    2. Placera Cz elektroden vertex, halvvägs mellan den linje som förbinder nasion och inion och Iz elektroden över inion.
      Obs: Placera vertikala (över och under ögat kontralaterala för stimulering ögat) och/eller horisontell elektroderna (vänster från vänster öga och höger från höger, lite ovanför varje OKBEN) för electrooculography (EOG).
    3. Justera den trubbiga spetsen av sprutan och fyll den med electroconductive gel. Placera spetsen inuti hålet av elektroden och lätt tryck kolven flänsen tills det inte finns några pasta på huden. Skrubba hårbotten lätt använder cross-liknande flyttar med trubbig spets. Se till att pastan inte rinner ut över toppen att undvika överbryggning (kortslutning mellan elektroderna).
  2. Placera elektroderna EMG. Placera två disponibla skiva elektroder (diameter på ca 30 mm) över rätt kidnappare pollicis brevis muskeln (APB) för en mage senan montage. Placera marken enligt tillverkarens riktlinjer.
  3. Starta huvud registreringen. Följ steg 1,3 – 1,6. Använd DLPFC MNI eller Talairach koordinater.
  4. Hot spot och motor tröskel.
    1. Lägg till en svamp (konstgjord fiber gjord av polyutherane) under spolen för att minimera spole vibrationer över elektroderna under TMS pulserna. Observera att skummet bör vara ca 10 mm tjock.
    2. Instruera deltagaren vara i vila – bekväm och avslappnad händer, ben och ryggrad.
    3. Hitta hot spot. Rikta den motoriska knopp24 som den inledande landmarken av kortikala representationen av APB i M1 och flytta spolen tills det är motsvarande APB rörelse. Använda TMS stödnivåer frammana ledamöter av runt 500 µV över APB. Optimera spole orientering genom att ändra dess vinkel och tilt att framkalla den största Svaren över hot spot.
    4. Spara spolen positionering i programvaran neuronavigator och minska utdataintensitet i steg 2 – 3%. Ge 10 pulser och om fler än 5 av 10 MEP svar över 50 µV erhålls, fortsätter sedan att minska intensiteten.
    5. När mindre än 5 av 10 Svaren är framkallat, öka intensiteten med 1 – 2%. MT representeras som den intensitet som producerar ledamöter större än 50 µV 5 av 10 gånger25. Intervallet mellan stimulus (ISI) för MT bör vara längre än 1 s, vanligtvis inställd på 3, 4 eller 5 s.
  5. Justera intensiteten med hjälp av följande steg:
    1. Start på 120% av MT intensitet att producera ledamöter över M1 från 500 till 1 500 µV. spela in 10 pulser med denna stimulator utgång så den genomsnittliga svaren är 1 mV. Öka eller minska intensiteten i steg om 1 – 2% tills de når ett genomsnitt på 1 mV.
    2. För stimulering intensitet, välja intensitet som en procentandel av stimulator produktion, t.ex., 110%, 120%, etc.
    3. Hitta motsvarande inducerade fält i V/m (om systemet tillåter). Placera spolen över DLPFC; Justera den stimulator tills beräkningen av fältet inducerad blir samma som den över M1 för samma kortikala djup.
  6. Digitalisera EEG elektroderna, så att deras position är registrerad till hjärnans anatomi.
    Obs: Detta är ett mycket viktigt steg för att lokalisera fördelningen av neuronal aktivering och korrekt ompositionering av elektroderna i uppföljande session.
  7. Spela in TMS-EEGEN
    1. Ersätta öronproppar med öronproppar med luft rör ansluta till ljud maskering (t.ex., vitt brus) om tillgängligt och lägga hörlurarna över dem. Spela ljud maskering endast under TMS puls leverans.
      Obs: Detta steg kan tillämpas på steg 2.4.2 utan att spela ljud maskering och med omsorg så huvudet trackers inte flyttas.
    2. Montera spolen på hållaren spole och kontrollera att spolen inte flytta eller tryck på elektroderna under den. Se till att svampen är mellan elektroderna och spolen.
    3. Ta bort alla aktiva skärmar av åsynen av deltagaren. Ge instruktioner till deltagaren att stirra på en fast punkt, inte att ändra sin skrivhuvudets position under TMS leverans och inte blinka mellan TMS pulserna.
    4. Stäng av alla lysrör. Kör enda puls TMS, SICILIAN, ICF och LICI i slumpmässig ordning för varje deltagare. Ge 100 enda och Parade pulser. Använda olika ISIS av 3 – 4 s (±20%) eller en konstant av 3 – 5 s (se anmärkning). Ge en paus på 3 – 5 min mellan varje villkor så att deltagaren kan slappna av och sträcka.
      Obs: SICILIAN och ICF innebär ett parad-pulse TMS paradigm med ett subthreshold luftkonditionering stimulus (CS) och ett suprathreshold test stimulus (TS). CS används i detta protokoll är 80% av MT och TS med intensitet frammana en 1 mV MEP peak-to-peak26. Intervallet mellan puls används för optimal SICILIAN är på 2 ms och för ICF 12 – 1327. LICI paradigm innebär hopkoppling av en supra-tröskel CS med intensitet frammana den 1 mV MEP topp-till-topp följt av en annan suprathreshold TS igen med den intensitet som frammanas en 1 mV MEP peak-to-peak och mellanrum mellan puls 100 ms. ISI för både enkel- och Parade puls paradigm bestäms av den stimulator laddningstiden (vårt system kan tillåta Parade pulser varje 4 s), mängden sessioner (längre experiment skulle kräva mindre ISI inte överbelasta deltagarna) och den analys som är kommer för att äga rum. I denna studie använde vi en konstant ISI 5 s på grund av vår stimulator restriktioner och också eftersom vi skulle behöver flera cykler av lågfrekventa bandet (theta rhythm) för tid-frekvens och makt spektrum analys.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1 A illustrerar TMSevoked potential efter DLPFC stimulering över F3 elektroden efter genomsnitt 100 epoker från varje session för en hälsosam volontär. I den här bilden belysa vi effekten av CS på TS jämfört med villkoret enda puls när TS används ensam. CS modulerar N100 omläggning på ett tydligt sätt även i ett ämne. I den SICILIAN och LICI sessioner, N100 är oftast ökat och i ICF minskar i absoluta värden jämfört med SP villkora16. I figur 1B, topografiska fördelningen av N100 komponenten av SP, har SICILIAN och ICF paradigm lokaliserats bilateralt som det har visats i många tidigare studier16,17,28, 29.

Figure 1
Figur 1 : TMS-EEG åtgärder av kortikala retbarhet. (A) Grand genomsnitt av TMS-framkallat EEG svaren från DLPFC ROI elektroder efter DLPFC stimulering. (B) N100 värden plottas topographically över alla elektroder för varje session. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

TMS-EEG möjliggör direkt och noninvasiv stimulering av de flesta kortikala områden och förvärvet av den resulterande neuronal aktiviteten med mycket bra plats-temporal upplösning30, särskilt när neuronavigation utnyttjas. Fördelen med detta metodologiska framsteg är baserad på det faktum att TMS-framkallat EEG signaler har sitt ursprung från den elektriska neural aktiviteten och det är ett index för cortico-kortikala upphetsning. Detta har enorm potential i neuropsykiatriska patientgrupper där TMS-EEG kan användas som en biomarkör för nuvarande och framtida terapeutiska interventioner.

Det mest kritiska steget i protokollet är utarbetandet av elektroderna och bestämning av stimulering intensiteten. Detta beror på att TMS-EEG signalen är mottagliga för TMS artefakt, oavsett vilken typ av förstärkare används31. Elektroderna bör förberedas noga, så de inte överbrygga med varandra och sin impedans hålls under 5 kΩ och signal-brus-förhållandet är hög. En svamp som gjorda av artificiella polyutherane fiber 5-10 mm justeras under spolen kan dessutom ytterligare minska det mekaniska trycket och artefakt av spole klick ljudet genom benledning.

MT avgör TMS-intensiteten; Det bör därför mätas exakt eftersom högre intensitet kommer att leda till större artefakter och mindre fokal stimulering, medan mindre intensitet kan resultera i mycket svaga signaler. Således, den motoriska hot spot bör hittas med hjälp av neuronavigation och MT uppskattas med EMG inspelningar (buller under 50 µV och muskler helt avslappnad). Dock bör man inte glömma att focality och riktigheten i varje stimulering härrör från formen och varaktigheten av TMS pulser32.

Bristen på åtgärder för en DLPFC tröskel föreslår också att intensiteten bör justeras enligt amplituden av den uppskatta inducerade elektriska fält23 och inte utifrån den stimulator intensitet utdata som den konventionella metoden. Detta kräver att MT intensiteten behöver uppskattas i V/m för en specifik kortikala djup och sedan samma djup och V/m för att användas för att beräkna den stimulator utdataintensitet för DLPFC stimulering. Detta är en särskilt viktig fråga för framtida utredning av Parade puls protokoll som de som presenteras här, där TS är alltid vid suprathreshold intensitet. Dock finns det ett behov att definiera DLPFC intensiteten från den inspelade TEP33 eller svängningar34 under DLPFC stimulering som det har föreslagits i nyligen genomförda studier för M1 genom kortikala och icke-corticospinal åtgärder.

Ännu viktigare, bör webbplatsen DLPFC stimulering utses baserat på MNI eller Talairach koordinater och infogas på MRI av neuronavigation. MNI koordinaterna för den vänstra DLPFC (-35, 45, 38) dras från en studie att identifiera denna webbplats som optimal, baserat på kliniska resultat och vila-state funktionella anslutning35. Placeringen av spolen med avseende på orientering och lutning är en annan viktig variabel. Det finns två sätt att närma sig spole orientering och lutning: a) 45 grader med mittlinjen med handtaget pekar på de laterala delarna av halvklotet9 och b) vinkelrätt mot den mellersta frontal sulcus med lateral till medial nuvarande riktning14. Först används vanligtvis när ingen navigering finns, medan andra kräver riktiga MRI och navigering och det inducerar maximum av fältet. Innan du börjar inspelningarna, finjustering av spolen så det väcker minsta muskel artefakter5 utan att påverka de stimulering fysiologiska reaktioner behöver utföras (små förändringar av 1-2 mm i mitten av den spole, samt tilt och läggning subtila förändringar).

Jämförelse av de olika riktlinjerna behöver göras eftersom det finns inga kända studier som har undersökt effekten av olika spole positionering över DLPFC. Ännu viktigare, finns det ett behov av en metod för att definiera DLPFC hotspot baserat på EEG åtgärder på ett liknande sätt att M1 hotspot definieras av EMG. Slutligen, en mycket viktig aspekt här är att placera elektroderna och deras digitalisering av deras läge. I test-retest mönster, så snart den gemensamma jordbrukspolitiken är placerad för att följa upp experiment, bör elektroderna digitaliseras. Då båda Digitaliseringar (av först och consequents experimentet) bör visualiseras över 3D MRI-modellen eller mallen MRI (vilket kan vara en bra pålitlig lösning när enskilda MRI inte kan erhållas). Sedan bör den gemensamma jordbrukspolitiken flyttas om det behövs, så placeringen över skallen av elektroderna i att följa upp experiment matchar placeringen av den första mätningen. Detta kommer att säkerställa att data kommer härledas från exakt samma platser av elektroderna som stimuleras med exakt samma magnetiska fält.

Den valda kortikala platsen ska för kraniala nerver passerar under spolen kontrolleras innan du börjar stimulering. Därför några TMS-EEG epoker bör registreras och artefakter utvärderas. Signalen måste således kontrolleras för amplituder större än 70 µV och icke-synkroniserade hög frekvens och låg amplitud svängningar (muskel och kranialnerver artefakter). Att eliminera sådana artefakter kan göras genom fina och subtila ompositionering av spolen eller dess orientering endast, som det föreslagits i tidigare studier36. Slutligen under TMS-EEG bör TMS spolen övervakas av realtid neuronavigation och hålls orörlig. Det bästa sättet är att montera den på ett stativ eller en mekanisk arm. Denna lösning förhindrar också att trycka spolen med händerna mot elektroderna, lägga till mekaniskt tryck artefakter på dem. Alla ändringar bör korrigeras omedelbart och respektive epokerna markeras som bad och uteslutna från dataanalysen, på grund av att EEG Svaren till TMS är mycket känsliga för störning i dessa parametrar37. Alla dessa detaljerade förslag kan säkerställa test-retest tillförlitligheten av TMS-EEG i enda14 och Parade puls paradigm15 över DLPFC. Uppmärksamhet på dessa viktiga detaljer kommer att säkerställa att data har störst chans att reflektera förändringar relaterade till de terapeutiska interventionerna.

TMS-EEG som varje annan experimentell metod har sina egna specifika begränsningar. Den stora frågan är vilka olika typer av artefakter och det faktum att TMS-kompatibel EEG förstärkare inte kan eliminera de återstående artefakterna. Artefakter från kraniala muskler, kan särskilt när frontal och lateral platser över skallen stimuleras, skymma och modulerar EEG signalen. Dessa artefakter kan vara större än TMS-EEG signalen och oftast sista längre, alltså de kan skymma TPS. På samma sätt, men endast inom områden som DLPFC, TMS kan framkalla stora ögon blink artefakter. Dessutom kan många andra artefakter såsom elektrod rörlighet, känsel i huden och auditiv aktiveringar på grund av TMS spole klicka göra EEG analysen ännu svårare (för detaljer, se tidigare publikationer31,38). Mycket arbete i fältet har riktats mot att avvisa en mängd artefakter, vilket resulterar i mer tillförlitlig plats och tid lokalisering av källorna till de hjärna Svaren38,39,40,41 , 42. men man får inte glömma att den noggranna förberedelsen av deltagarna, val av utrustning och korrekt prestanda av mätningen avgöra kvaliteten på TMS-EEG rådata.

TMS-EEG är ett kraftfullt verktyg för att bedöma intracortical hämning och magnetisering mekanismer relaterade till stimulering av DLPFC. Genom att bara ändra ett fåtal parametrar, möjliggör det studiet av kretsar som medieras av GABAAR (SICILIAN), GABABR (LICI) och NMDAR (ICF). Modulering av olika TEP komponenter genom farmakologisk eller elektromagnetisk terapeutiska interventioner kan fungera som en markör för att identifiera hämmande och excitatorisk neurotransmission, kortikala plasticitet och många fler hjärntillstånd ändras och villkor 43. i tillägg till TEP'S, TMS-framkallat oscillerande aktivitet genom tidsfrekvens och spektralanalys kan bedöma naturligt eller inneboende frekvensen av de ovanstående kretsar10. Elektriska hjärnan index som nuvarande källa densitet4 tillämplig för varje kortikala område kan hjälpa till att riva upp mekanismerna av plasticitet i skadat hjärnan kretsar i DLPFC44.

Ytterligare är farmakologiska valideringsstudier av dessa paradigm i DLPFC nödvändiga. Men det finns enorm potential för TMS-EEG används för att studera mekanismerna i olika terapeutiska interventioner, såsom neuromodulation terapier (t.ex., rTMS, ECT, MST) eller farmakologiska kära friska eller i olika psykiska störningar9,15,16,17,45,46, men även alternativa insatsers eller kombinationer av dem43. Viktigast av allt, kan TMS-EEG tillförlitligt bedöma hjärnan dynamiken före och efter en intervention och därför potentiellt tjäna som biomarkör.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Pantelis Lioumis har varit betalda konsult för Nexstim Plc. (Helsingfors) utanför det inlämnade arbetet (dvs., för motor och tal kartapplikationer rTMS före 2017). Reza Zomorrodi är medlem av advisory board för Vielight Inc. (Toronto, Kanada). Zafiris J. Daskalakis får forskningsstöd från kanadensiska instituten av hälsoforskning (CIHR), National Institutes of Health - oss (NIH), Weston Brain Institute, hjärnan Kanada och familjen Temerty genom stiftelsen CAMH och Campbell forskning Institutet. Han mottog forskningsstöd och in natura utrustning stöd för en utredare-initierad studie från Brainsway Ltd och han är webbplats principal investigator för tre sponsor-initierade studier för Brainsway Ltd. Han fick in natura utrustning stöd från Magventure för denna utredare-initierad studie. Daniel M. Blumberger erhåller forskningsstöd från kanadensiska instituten av hälsoforskning (CIHR), National Institutes of Health - oss (NIH), Weston Brain Institute, hjärnan Kanada och familjen Temerty genom stiftelsen CAMH och Campbell forskning Institutet. Han mottog forskningsstöd och in natura utrustning stöd för en utredare-initierad studie från Brainsway Ltd och han är webbplats principal investigator för tre sponsor-initierade studier för Brainsway Ltd. Han fick in natura utrustning stöd från Magventure för denna utredare-initierad studie. Han fick medicin leveranser för en provversion av utredare-initierade från Indivior. Han har deltagit i en referensgrupp för Janssen.

Acknowledgments

Detta arbete finansierades delvis av NIMH R01 MH112815. Detta arbete fick också stöd av Temerty Family Foundation, Grant Family Foundation och Campbell familj Mental Health Research Institute vid centrum för missbruk och Mental hälsa.

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).

Tags

Fråga 138 intracortical underlättande kombinerat transkraniell magnetisk stimulering och elektroencefalografi kort intracortical hämning länge intracortical hämning neurovetenskap repetitiva transkraniell magnetisk stimulering magnetiska behandling av kramper depression
Kombinerade transkraniell magnetisk stimulering och elektroencefalografi av dorsolaterala prefrontala Cortex
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

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