Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Gecombineerde Transcraniële magnetische stimulatie en elektro-encefalografie van de Dorsolateral van de prefrontale 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

Het protocol hier gepresenteerd is voor TMS-EEG studies met behulp van intracortical prikkelbaarheid test-hertest ontwerp paradigma's. De bedoeling van het protocol is voor de productie van betrouwbare en reproduceerbare corticale prikkelbaarheid maatregelen voor de beoordeling van neurofysiologische werking verband houden met therapeutische interventies bij de behandeling van neuropsychiatrische ziekten zoals depressie.

Abstract

Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een niet-invasieve methode die neurale excitatie in de cortex door middel van korte, tijd tegenover wisselende magnetisch veld pulsen produceert. De initiatie van de corticale activering of haar modulatie is afhankelijk van de achtergrond-activering van de neuronen van de corticale regio geactiveerd, de kenmerken van de spoel, zijn standpunt en de oriëntatie ten opzichte van het hoofd. TMS gecombineerd met gelijktijdige electrocephalography (EEG) en neuronavigation (nTMS-EEG) voorziet in de beoordeling van cortico-corticale prikkelbaarheid en connectiviteit in bijna alle corticale gebieden op een reproduceerbare wijze. Dit voorschot maakt nTMS-EEG een krachtig hulpmiddel dat nauwkeurig beoordelen kan de dynamiek van de hersenen en neurofysiologie in test-hertest paradigma's die vereist voor klinische proeven zijn. Beperkingen van deze methode zijn onder andere artefacten die betrekking hebben op de eerste hersenen reactiviteit aan stimulatie. Aldus, kan het proces van het verwijderen van artefacten ook waardevolle informatie extraheren. Bovendien de optimale parameters voor dorsolateral prefrontale (DLPFC) stimulatie niet volledig bekend zijn en de huidige protocollen gebruiken varianten van de motorschors (M1) stimulatie paradigma's. Evoluerende nTMS-EEG ontwerpen hoop echter deze problemen aan te pakken. Het hier gepresenteerde protocol introduceert enkele standaardprocedures voor de beoordeling van neurofysiologische werking van stimulatie voor de DLPFC die kan worden toegepast bij patiënten met behandeling resistente psychiatrische stoornissen die behandeling zoals ontvangen Transcraniële gelijkstroom stimulatie (TDC's), repetitieve Transcraniële magnetische stimulatie (rTMS), magnetische inbeslagneming therapie (MST) of elektroconvulsieve therapie (ECT).

Introduction

Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een neurofysiologische hulpmiddel waarmee voor de niet-invasieve beoordeling van corticale Neuronale activiteit door het gebruik van snelle, tijd tegenover wisselende magnetisch veld pulsen1. Deze pulsen magnetisch veld opwekken van een zwakke stroom in de oppervlakkige cortex onder de spoel die tot membraan depolarisatie leidt. De daaruit voortvloeiende Corticale activering of modulatie is direct gerelateerd aan de kenmerken van de spoel, de hoek en richting aan de schedel2. De golfvorm van de pols ontslagen uit de spoel en de onderliggende staat van de neuronen beïnvloeden ook de resulterende Corticale activering3.

TMS in staat stelt de beoordelingvan corticale functies gedrags- of motor reacties oproept of via de onderbreking van taak-gerelateerde verwerking. De prikkelbaarheid van cortico-spinal processen kan worden geëvalueerd door het opnemen van Electromyografische (EMG) Reacties ontlokte uit één TMS pulsen over de motorschors, overwegende dat intracortical excitatory (intracortical faciliteren; ICF) en remmende mechanismen (korte en lange intracortical remming; SICI en LICI) kan worden gesondeerd met gekoppeld-pulse TMS. Repetitieve TMS verschillende cognitieve processen kan verstoren, maar wordt voornamelijk gebruikt als een therapeutisch instrument voor allerlei neuropsychiatrische aandoeningen. Bovendien is de combinatie van TMS met gelijktijdige elektro-encefalografie (TMS-EEG) kan worden gebruikt ter beoordeling van cortico-corticale prikkelbaarheid en connectiviteit4. Tot slot, als de administratie van TMS wordt geleverd met neuronavigation (nTMS), zal het toestaan voor nauwkeurige test-hertest paradigma's omdat de exacte plaats van de stimulatie kan worden opgenomen. De meeste van de corticale mantel kan worden gericht en gestimuleerd (met inbegrip van de gebieden die geen meetbare fysieke of gedragsproblemen reacties produceren) dus de cortex kan worden functioneel toegewezen.

Het signaal van de EEG opgeroepen van enkele of gekoppelde puls TMS kan vergemakkelijken de beoordelingvan cortico-corticale connectiviteit5 en de huidige stand van de hersenen. Het TMS-geïnduceerde elektrische stroom resulteert in actie-mogelijkheden die synapsen kunt activeren. De verdeling van het postsynaptisch stromingen kan worden opgenomen via EEG6. Het EEG signaal kan worden gebruikt voor het kwantificeren en opsporen van synaptic huidige distributies via dipool modellering7 of minimum-norm schatting8, wanneer meerkanaals EEG werkzaam is, en met de structuur van de geleidbaarheid van het hoofd verantwoord. Gecombineerde TMS-EEG kan worden gebruikt om te studeren corticale remmende processen9, oscillaties10cortico-corticale11 en interhemispheric interacties12en corticale plasticiteit13. Bovenal kan TMS-EEG prikkelbaarheid wijzigingen sonde tijdens cognitieve of motorische taken met goede test-hertest betrouwbaarheid14,15. Bovenal heeft TMS-EEG het potentieel om te bepalen van neurofysiologische signalen die als de voorspellers van reactie op therapeutische interventies (rTMS of farmacologische effecten) in test-hertest ontwerpen16,17 dienen kunnen.

De beginselen van neuronavigation voor TMS is gebaseerd op de beginselen van frameless stereotaxy. Het gebruik van de systemen een optische tracking systeem18 die gebruikmaakt van een lichtgevende camera die met licht-reflecterende optische elementen aangesloten op zowel het hoofd (via een verwijzing tracker) als de TMS spoel communiceert. Neuronavigation zorgt voor de lokalisatie van de spoel op het 3D-model van de MRI met behulp van een analoge referentie-instrument of pen. Het gebruik van neuronavigation vergemakkelijkt het vastleggen van de spoel oriëntatie, de locatie en de aanpassing aan het hoofd van het onderwerp en de digitalisering van de EEG elektrode posities. Deze functies zijn essentieel voor test-hertest ontwerp experimenten en nauwkeurige stimulatie van een opgegeven locatie binnen dorsolateral prefrontale cortex.

Om gebruik te maken van een TMS-EEG-protocol in een test-hertest experiment, er moeten nauwkeurige targeting en consistente stimulatie van de corticale regio te verkrijgen van betrouwbare signalen. TMS-EEG opname kan kwetsbaar zijn voor verschillende artefacten. Het artefact TMS veroorzaakte op de EEG-electrodes kan worden gefilterd met versterkers die kunnen herstellen na een vertraging19,20 of met versterkers die niet verzadigde21. Echter, andere soorten artefact gegenereerd door de oogbewegingen of knippert, Cranio spier activering in nabijheid van de EEG elektroden, willekeurige elektrode beweging en hun polarisatie en door de spoel Klik of somatische sensatie moet rekening worden gehouden. Zorgvuldige onderwerp voorbereiding die zorgt voor de elektrode impedances hieronder 5 kΩ, immobilisatie van de spoel via de elektroden en een schuim tussen spoel en elektroden om trillingen (of een spacer te elimineren lagefrequentie artefacten22), oordoppen en zelfs auditieve maskeren moet worden gebruikt om te minimaliseren van deze artefacten23. Het hier gepresenteerde protocol introduceert een standaard proces voor de beoordeling van neurofysiologische functioneren wanneer de stimulatie wordt toegepast via het dorsolateral prefrontale (DLPFC). De focus ligt op gemeenschappelijke gekoppeld-pulse paradigma's die zijn gevalideerd in de studies van M19,15,16.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

De experimentele procedures die hier gepresenteerd zijn goedgekeurd door onze lokale ethische Commissie richtsnoeren van de verklaring van Helsinki.

1. hoofd registratie voor Neuronavigated TMS — EEG

  1. Het verkrijgen van een hoge resolutie hele hoofd T1-gewogen structurele MRI voor elke deelnemer. Scan volgens de richtlijnen van de fabrikant van neuronavigation.
  2. Upload de foto's op het navigatiesysteem. Controleer als MRIs correct worden gescand. Kies de kardinale punten (vooraf auricular punten, de nasion en het puntje van de neus). De doelstellingen van de stimulatie (gebaseerd op de anatomie of gebaseerd op het hoofd coördinaten, MNI of Talairach coördinaten) invoegen.
  3. Plaats de hoofd tracker op zodanige wijze zodat het niet zal tijdens de sessie stimulatie verplaatsen en vrije beweging van de spoel TMS. Hebben de deelnemer invoegen de oordoppen voordat de registratie wordt gestart.
  4. Uitlijnen van de deelnemer hoofd aan het 3D-model van de MRI. Touch op de kop van de deelnemer met de analoge pen op de kardinale punten die werden geselecteerd op de beelden van de MRI-stack. Selecteer en markeer extra punten over de pariëtale, temporele en occipital gebieden van het hoofd om de registratie fout over deze gebieden.
  5. Valideren van de registratie. Plaats de analoge pen op de kop van de deelnemer. Het controleren van haar vertegenwoordiging op de computer. Als er geen op het overeenkomstige punt in de MR, herhaalt u stap 1.4.
  6. Kalibreer de TMS spoel in gebruik (in sommige systemen die deze stap is niet nodig).
    1. Bevestig de trackers aan de spoel.
    2. Plaats de spoel op het blok kalibratie, zodat alle trackers zichtbaar vanaf de camera zijn.
    3. Druk op de kalibratie op het computerscherm en houd de spoel in de positie van de kalibratie voor 5 s.

2. TMS-EEG Experiment

  1. Plaats van het EEG-GLB op het hoofd en de elektroden te bereiden
    1. Kies een cap die het hoofd goed past. Ervoor zorgen dat alle elektroden zijn strak het aanraken van de hoofdhuid en functioneel zijn. Als meer dan 2 elektroden niet werken, gebruik dan een ander dop van de dezelfde of kleinere grootte.
    2. Plaats de Cz-elektrode op hoekpunt, halverwege tussen de lijn die de nasion en inion en de Iz-elektrode met elkaar verbinden via de inion.
      Opmerking: Plaats de elektroden van het verticale (boven en onder het oog contralaterale voor het oog van de stimulatie) en/of horizontale (links van het linkeroog en rechts vanaf de rechterkant, een beetje boven elk jukbeen bot) voor electrooculography (EOG).
    3. Aanpassen van het botte uiteinde van de spuit en vul deze met electroconductive gel. Plaats het uiteinde in het gat van de elektrode en licht druk de plunjer flens tot er sommige plakken op de huid. Scrub de hoofdhuid licht met behulp van cross-achtige beweegt met het botte uiteinde. Zorgen dat de pasta niet morsen is uit over de bovenkant om te voorkomen dat overbruggen (kortsluiting tussen de elektroden).
  2. Het EMG elektroden plaatsen. Plaats twee beschikbare schijf elektroden (diameter van ongeveer 30 mm) op de juiste abductor pollicis brevis spier (APB) voor een buik pees montage. Plaats de grond volgens de richtlijnen van de fabrikant.
  3. Start de hoofd registratie. Stappen 1.3-1.6. Gebruik de coördinaten van het MNI of Talairach van de DLPFC.
  4. Hot spot en de drempel van de motor.
    1. Het toevoegen van een spons (kunstmatige vezels gemaakt van polyutherane) onder de spoel om te minimaliseren van de trillingen van de spoel via de elektroden tijdens de TMS pulsen. Merk op dat het schuim ongeveer 10 mm dik moet.
    2. Instrueren van de deelnemer te worden in rust — comfortabel en met ontspannen handen, benen en wervelkolom.
    3. Het vinden van de hot spot. Richten op de motor knop24 als de eerste mijlpaal van corticale vertegenwoordiging van APB in M1 en de spoel bewegen totdat er is APB verkeer overeenkomt. Gebruik TMS intensiteiten parlementsleden van ongeveer 500 µV oproept over APB. Optimaliseer de afdrukstand van de coil door het veranderen van de hoek en tilt te roepen het grootste antwoord over de hot spot.
    4. Sla de spoel positionering in de neuronavigator-software en verminderen de intensiteit van de uitvoer in stappen van 2 – 3%. Geef 10 pulsen en indien meer dan 5 van de 10 MEP reacties meer dan 50 µV worden verkregen, dan verder verminderen van de intensiteit.
    5. Wanneer minder dan 5 uit 10 Reacties zijn opgeroepen, vergroot u de intensiteit met stappen van 1 – 2%. MT wordt weergegeven als de intensiteit die groter zijn dan 50 µV 5 van de 10 keer25leden produceert. De onderlinge stimulans interval (ISI) voor MT moet langer dan 1 s, meestal ingesteld op 3, 4 of 5 s.
  5. Pas de intensiteit met behulp van de volgende stappen uit:
    1. Start op 120% van MT intensiteit te produceren parlementsleden over M1 van 500 tot 1500 µV. 10 pulsen met deze stimulator van output opnemen, zodat de gemiddelde respons is 1 mV. Vergroten of verkleinen van de intensiteit in stappen van 1 – 2% tot het bereiken van een gemiddelde van 1 mV.
    2. Voor de intensiteit van de stimulatie, kies de intensiteit als een percentage van de stimulator de uitgang, bijv., 110%, 120%, enz.
    3. Vind de overeenkomstige geïnduceerde veld in V/m (als het systeem toelaat). Plaats de coil over DLPFC; aanpassen van de stimulator uitvoer tot de berekening van de geïnduceerde veld hetzelfde als degene over M1 voor dezelfde corticale diepte wordt.
  6. Digitaliseren de EEG elektroden, zodat hun positie is geregistreerd op de anatomie van de hersenen.
    Opmerking: Dit is een zeer belangrijke stap voor het lokaliseren van de verdeling van de neuronale activering en voor de nauwkeurige herpositionering van de elektroden in de follow-up sessie.
  7. Record de TMS-EEG
    1. De oordoppen vervangen door de oordoppen met lucht buizen verbinden met audio maskeren (bijv., witte ruis) indien beschikbaar en koptelefoon over hen toe te voegen. Speel de audio maskeren alleen tijdens TMS pulse levering.
      Opmerking: Deze stap kan worden toegepast op stap 2.4.2 zonder te spelen het audio maskeren en met zorg zodat de hoofd trackers worden niet verplaatst.
    2. De spoel op de spoel houder monteren en ervoor te zorgen dat de spoel niet verplaatsen of druk op de elektroden eronder. Zorg ervoor dat de spons tussen de elektroden en de spoel is.
    3. Verwijder alle actieve schermen uit het zicht van de deelnemer. Instructies geven die de deelnemer te staren op een vast punt, niet aan zijn/haar hoofd positie wijzigen tijdens TMS levering en niet aan het knipperen tussen de TMS pulsen.
    4. Schakel geen fluorescerende verlichting. Run één pulse TMS, LICI, SICI en ICF in een willekeurige volgorde voor elke deelnemer. Geef 100 eenpersoons- en gepaarde pulsen. Gebruik verschillende ISI van 3-4-s (±20%) of een constante van 3 – 5 s (zie opmerking). Geef een onderbreking van 3-5 min tussen elke voorwaarde zodat de deelnemer kan ontspannen en uitrekken.
      Opmerking: SICI en ICF betrekken een gekoppeld-pulse TMS paradigma met een subthreshold conditioning stimulans (CS) en een suprathreshold test stimulans (TS). De CS gebruikt in dit protocol is 80% van het MT en de TS op de intensiteit oproept een 1 mV MEP piek-tot-piek26. Het Inter pulsinterval gebruikt voor optimale SICI is bij 2 ms voor ICF op 12-13-27. Het LICI paradigma omvat de koppeling van een supra-drempel CS op de oproepen van de 1 mV MEP piek-tot-piek gevolgd door een andere suprathreshold TS opnieuw met de intensiteit die een 1 mV MEP piek-tot-piek opgeroepen intensiteit en met een tussenpoos van Inter puls van 100 ms. de ISI voor beide één en gepaarde pulse paradigma's wordt bepaald door de oplaadtijd van de stimulator (ons systeem kunnen gekoppelde pulsen elke 4 s), het bedrag van sessies (langere experimenten zou vereisen kleinere ISI aan niet overbelasten de deelnemers) en de analyse die is zal plaatsvinden. In deze studie, gebruikten we een constante ISI van 5 s vanwege onze stimulator van beperkingen en ook omdat we zouden moeten meerdere cycli van lage frequentie band (theta ritme) voor de tijd-frequentie en vermogen spectrum analyse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuur 1 A illustreert het potentieel van TMSevoked na DLPFC stimulatie over de F3-elektrode na gemiddeld 100 tijdperken van elke sessie voor een gezonde vrijwilligers. In deze afbeelding markeren we het effect van het CS op de TS in vergelijking met de voorwaarde één puls wanneer TS alleen wordt toegepast. De CS moduleert de N100 uitwijking op een duidelijke manier zelfs in één onderwerp. In de SICI en LICI-sessies, N100 wordt meestal verhoogd en in ICF voorwaarde afname in absolute waarden in vergelijking met de SP16. In Figuur 1B, de topografische verdeling van N100 onderdeel van SP, heeft SICI en ICF paradigma vertaald bilateraal zoals is aangetoond in vele eerdere studies16,17,28, 29.

Figure 1
Figuur 1 : TMS-EEG maatregelen van corticale prikkelbaarheid. (A) Grand gemiddelde van TMS-opgeroepen EEG reacties van DLPFC ROI elektroden na stimulatie van de DLPFC. (B) N100 waarden uitgezet topografisch over alle elektroden voor elke sessie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

TMS-EEG kan de directe en noninvasive stimulatie van de meeste corticale gebieden en de verwerving van de resulterende Neuronale activiteit met zeer goede spatio-temporele resolutie30, vooral wanneer de neuronavigation wordt gebruikt. Het voordeel van deze methodologische voorschot is gebaseerd op het feit dat TMS-opgeroepen EEG signalen zijn afkomstig uit de elektrische neurale activiteit en het is een index van cortico-corticale prikkelbaarheid. Dit heeft enorme potentieel in neuropsychiatrische patiënt populaties waar TMS-EEG kan worden gebruikt als een biomarker van huidige en toekomstige therapeutische interventies.

De meest kritische stap van het protocol is de voorbereiding van de elektroden en de bepaling van de intensiteit van de stimulatie. Dit is omdat het TMS-EEG-signaal gevoelig voor het TMS-artefact, ongeacht het soort versterkers gebruikt31 is. De elektroden moeten zeer zorgvuldig worden voorbereid, zodat zij niet doen brug met elkaar en hun impedantie is bewaard onder 5 kΩ en de signal-to-noise verhouding hoog is. Daarnaast kan een spons gemaakt van kunstmatige polyutherane vezel van 5-10 mm aangepast onder de spoel de mechanische druk en het artefact van het spoel klikgeluid via beengeleiding verder verminderen.

De MT bepaalt de TMS-intensiteit; Daarom moet het worden gemeten precies zoals hogere intensiteiten leiden zal tot grotere artefacten en minder focal stimulatie, terwijl kleinere intensiteiten in zeer zwakke signalen resulteren kunnen. Dus, de motor hotspot moet worden gevonden met de hulp van neuronavigation en de MT wordt geschat met EMG opnames (lawaai onder 50 µV en spieren volledig ontspannen). Men moet echter niet vergeten dat de focality en de nauwkeurigheid van elke stimulatie is afgeleid van de vorm en duur van de TMS32 pulsen.

Het gebrek aan maatregelen voor een drempel van DLPFC suggereert ook dat de intensiteit moet worden bijgesteld op grond van de amplitude van de geschatte geïnduceerde elektrische veld23 en niet op basis van de stimulator van intensiteit output als de conventionele methode. Dit vereist dat de intensiteit van de MT worden geraamd in V/m bij een specifieke corticale diepte en vervolgens dezelfde diepte en V/m moet moet worden gebruikt voor het berekenen van de stimulator uitvoer intensiteit voor stimulatie van de DLPFC. Dit is een bijzonder belangrijke kwestie voor de toekomstige onderzoek van gepaarde pulse protocollen zoals die gepresenteerd hier, waar de TS is altijd bij suprathreshold intensiteiten. Er is echter een noodzaak om te definiëren van de intensiteit van de DLPFC van de opgenomen TEP33 of oscillaties34 tijdens DLPFC stimulatie, zoals is voorgesteld in recente studies voor M1 door middel van corticale en niet-corticospinal maatregelen.

Nog belangrijker is, moet de DLPFC stimulatie site worden gekozen op basis van de coördinaten MNI of Talairach en ingevoegd op de MRIs van de neuronavigation. De MNI-coördinaten van de linker DLPFC (-35, 45, 38) zijn afkomstig uit een studie die deze site als optimale, op basis van klinische resultaten en rusten statuswaarden functionele connectiviteit35identificeren. De plaatsing van de spoel met betrekking tot de oriëntatie en tilt is een andere belangrijke variabele. Er zijn twee manieren benaderen spoel oriëntatie en kantelen: a) 45 graden aan de middellijn met het handvat naar de laterale delen van het halfrond9 en b) loodrecht op de middelste frontale Sulcus (hersenanatomie) met laterale en mediale huidige richting14. De eerste wordt meestal toegepast wanneer geen navigatie bestaat, terwijl de tweede echte MRI moet en navigatie en het induceert de maximale waarde van het veld. Voordat u begint de opnames, fine tuning van de spoel, zodat het minimale spier artefacten5 zonder de stimulatie fysiologische reacties oproept hoeft te worden uitgevoerd (kleine veranderingen van 1-2 mm van het middelpunt van de spoel, evenals de tilt en oriëntatie subtiele veranderingen).

Vergelijking van de verschillende oriëntaties moet gebeuren, want er geen bekende studies die hebben onderzocht het effect zijn van verschillende spoel plaatsen op DLPFC. Nog belangrijker is, is er een behoefte aan een methode om te definiëren van de DLPFC hotspot op basis van EEG maatregelen op een vergelijkbare manier dat de M1 hotspot wordt gedefinieerd door het EMG. Tot slot, hier een zeer belangrijk aspect is de positionering van de elektroden en hun digitalisering van hun locatie. In de test-hertest ontwerpen, zodra het GLB is geplaatst voor de follow-up van de experimenten, moeten de elektroden worden gedigitaliseerd. Dan beide digitizations (van de eerste en de consequents experiment) moeten worden gevisualiseerd over het 3D-model van de MRI of de MRI-sjabloon (die kan worden een goede betrouwbare oplossing als individuele MRIs verkregen worden kunnen). Vervolgens moet het GLB worden verplaatst indien nodig zodat de plaatsen op de schedel van de elektroden in de follow-up experiment overeenkomt met de positie van de eerste meting. Dit zal ervoor zorgen dat de gegevens zullen worden afgeleid van de exacte dezelfde locaties van de elektroden die werden gestimuleerd met de exacte dezelfde magnetisch veld.

Voordat u begint de stimulatie, moet de gekozen corticale site voor craniale zenuwen passeren onder de spoel worden gecontroleerd. Daarom een paar TMS-EEG tijdperken moeten worden geregistreerd en de artefacten geëvalueerd. Dus moet signaal worden gecontroleerd voor amplitudes groter dan 70 µV en niet-gesynchroniseerde hoge frequentie-lage amplitude oscillaties (spieren en craniale zenuwen artefacten). Elimineren van dergelijke artefacten kan gedaan worden door het fijne en subtiele herpositionering van de spoel of haar geaardheid alleen, zoals is voorgesteld in eerdere studies36. Ten slotte tijdens de TMS-EEG-sessies, moet de TMS spoel worden gecontroleerd door real-time neuronavigation en geïmmobiliseerdet gehouden. De beste manier is te mounten op een statief of op een mechanische arm. Deze oplossing voorkomt bovendien dat de spoel met de handen tegen de elektroden, toe te voegen artefacten van de mechanische druk op hen drukken. Eventuele wijzigingen moeten onmiddellijk worden gecorrigeerd en de respectieve tijdperken gemarkeerd als slecht en uitgesloten van de data-analyse, wijten aan het feit dat de EEG reacties op TMS zijn zeer gevoelig voor de verstoring van deze parameters37. Al deze gedetailleerde suggesties kunnen waarborgen test-hertest betrouwbaarheid van TMS-EEG in één14 en gepaarde pulse paradigma's15 over de DLPFC. De aandacht voor deze belangrijke details zal ervoor zorgen dat de gegevens de hoogste kans op als gevolg van wijzigingen aan de therapeutische interventies gerelateerde.

TMS-EEG zoals elke andere experimentele methode heeft zijn eigen specifieke beperkingen. Het grote probleem is de verschillende soorten artefacten en het feit dat TMS-compatibele EEG versterkers de resterende artefacten kunnen niet elimineren. Artefacten uit craniale spieren, kunnen met name wanneer frontale en laterale sites via de schedel worden gestimuleerd, verdoezelen en moduleren van het EEG signaal. Deze artefacten kunnen groter zijn dan het TMS-EEG signaal en meestal laatste langer, dus kunnen ze de willen verduisteren. Op dezelfde manier, maar alleen in gebieden zoals de DLPFC, TMS grote ogen knipperen artefacten kan oproepen. Daarnaast kunnen vele andere artefacten zoals elektrode beweging, huid sensatie en auditieve activeringen als gevolg van TMS spoel Klik bemoeilijken de analyse van de EEG zelfs (voor meer informatie, zie eerdere publicaties31,38). Veel werk in het veld heeft zijn gericht op de afwijzing van een verscheidenheid van artefacten, wat resulteert in meer betrouwbare spatio-temporele lokalisatie van de bronnen van de hersenen reacties38,39,40,41 , 42. men moet echter niet vergeten dat de zorgvuldige voorbereiding van de deelnemers, de keuze van de apparatuur en nauwkeurige prestaties van de meting bepalend voor de kwaliteit van de ruwe gegevens van de TMS-EEG.

TMS-EEG is een krachtig hulpmiddel voor het beoordelen van intracortical inhibitie en excitatie mechanismen gerelateerde aan de stimulatie van de DLPFC. Door alleen het veranderen van een paar parameters, staat het voor de studie van circuits gemedieerd door GABAAR (SICI), GABABR (LICI) en NMDAR (ICF). Modulatie van de verschillende TEP-componenten via farmacologische of elektromagnetische therapeutische interventies kan dienen als een marker te identificeren remmende en excitatory transmissie, corticale plasticiteit en nog veel meer hersenen staat verandert en voorwaarden 43. in aanvulling op de TEP, TMS-opgeroepen oscillerende bedrijvigheid door tijd frequentie en spectrale analyse de natuurlijke of de intrinsieke frequentie van de bovenstaande circuits10kan beoordelen. Elektrische hersenen indexen zoals huidige bron dichtheid4 die van toepassing zijn voor een corticaal gebied kunnen bijdragen tot het ontrafelen van de mechanismen van plasticiteit in beschadigde brein circuits in DLPFC44.

Verder zijn de farmacologische validatieonderzoek van deze paradigma's in de DLPFC nodig. Echter, er is enorm potentieel voor TMS-EEG om te worden gebruikt bij het bestuderen van de mechanismen van de verschillende therapeutische interventies, zoals neuromodulatie therapieën (bv., rTMS, ECT, MST) of farmacologische degenen bij gezonde vrijwilligers of in verschillende psychiatrische stoornissen9,15,16,17,45,46, maar ook alternatieve interventies of combinaties van43. Bovenal kan TMS-EEG betrouwbaar beoordelen de dynamiek van de hersenen voorafgaand aan en na een interventie en dus potentieel dienen als biomerker.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Pantelis Lioumis is een betaalde consultant voor Nexstim Plc. (Helsinki, Finland) buiten het ingezonden werk (dwz., voor de motor en de toewijzing rTMS spraaktoepassingen vóór 2017). Reza Zomorrodi is lid van de advisory board van Vielight Inc. (Toronto, Canada). Zafiris J. Daskalakis ontvangt steun voor onderzoek van de Canadian Institutes of Health Research (CIHR), National Institutes of Health - ons (NIH), Weston hersenen Institute, hersenen Canada en de familie van de Temerty door de CAMH Foundation en de Campbell-onderzoek Instituut. Hij ontvangen steun voor onderzoek en in natura apparatuur ondersteuning voor een studie van onderzoeker aangestuurde Brainsway Ltd. en hij is de hoofdonderzoeker van de site voor drie sponsor aangestuurde studies voor Brainsway Ltd. Voor deze studie van onderzoeker-geïnitieerd ontving hij in natura apparatuur ondersteuning van Magventure. Daniel M. Blumberger ontvangt steun voor onderzoek van de Canadian Institutes of Health Research (CIHR), National Institutes of Health - ons (NIH), Weston hersenen Institute, hersenen Canada en de familie van de Temerty door de CAMH Foundation en de Campbell-onderzoek Instituut. Hij ontvangen steun voor onderzoek en in natura apparatuur ondersteuning voor een studie van onderzoeker aangestuurde Brainsway Ltd. en hij is de hoofdonderzoeker van de site voor drie sponsor aangestuurde studies voor Brainsway Ltd. Voor deze studie van onderzoeker-geïnitieerd ontving hij in natura apparatuur ondersteuning van Magventure. Hij ontving medicatie benodigdheden voor een onderzoeker aangestuurde proces van Indivior. Hij heeft deelgenomen aan een adviesraad voor Janssen.

Acknowledgments

Dit werk werd gedeeltelijk gefinancierd door NIMH R01 MH112815. Dit werk was het ook ondersteund door de Temerty Family Foundation, Grant Family Foundation en Campbell familie Mental Health Research Institute op het centrum voor verslaving en de geestelijkegezondheid.

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

Neurowetenschappen kwestie 138 gecombineerde Transcraniële magnetische stimulatie en elektro-encefalografie korte intracortical inhibitie lange intracortical inhibitie intracortical versoepeling repetitieve Transcraniële magnetische stimulatie magnetische inbeslagneming therapie depressie
Gecombineerde Transcraniële magnetische stimulatie en elektro-encefalografie van de Dorsolateral van de prefrontale 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