נייר זה מתאר בזמן אמת הtranscranial מגנטית גירוי מגנטי ללמוד לווסת את רשתות המוח האנושי.
השפעת גירוי במוח תלויה לא רק בפרמטרים של הגירוי אלא גם בדינמיקה של פעילות המוח בזמן הגירוי. השילוב של אלקטרונצגרפיה (EEG) וגירוי מגנטי transcranial (TMS) במערכת גירוי בזמן אמת תלויי המדינה, מאפשר לימוד של יחסי דינמיקה של פעילות מוחית, עירור הקליפת המוח והאינדוקציה הפלסטיות . כאן, אנו מדגימים שיטה חדשה שפותחה כדי לסנכרן את העיתוי של גירוי מוחי עם שלב של תנודות EEG מתמשך באמצעות מערכת ניתוח נתונים בזמן אמת. זה TMS בזמן אמת-EEG המופעל של קליפת המנוע האנושי, כאשר TMS הוא מסונכרן עם פני השטח EEG שלילי של sensorimotor μ-alpha (8-14 Hz) קצב, הראה ההפרש corticospinal היכולת הדיפרנציאלית ואפקטים הפלסטיות. הניצול של שיטה זו עולה כי מידע בזמן אמת על מצב מוחי מיידי יכול לשמש לאינדוקציה יעילה הפלסטיות. בנוסף, גישה זו מאפשרת באופן אישי גירוי EEG-מסונכרן המוח אשר עשוי להוביל לפיתוח של פרוטוקולים יעילים יותר של גירוי המוח טיפולית.
TMS היא שיטה מבוססת היטב עבור גירוי מוחי לא פולשני ומאפשר אפנון מסוים של דינמיקה רשת מתמשכת ומחקרים של corticocortical ו corticospinal מסלולים עצביים עם דיוק זמן מדויקת1. כאשר מעוררים את קליפת המוח העיקרית (M1), התגובה העצבית יכולה להיות כמותית כפוטנציאלים מעוררים מוטוריים (MEPs), כמו גם TMS-מעורר הפוטנציאל EEG. MEPs ניתן להקליט על ידי אלקטרומגרפיה (EMG) של שרירי היעד, ואת משרעת שלהם משקף corticospinal עירור היכולת כאשר מגרה את קליפת המנוע העיקרית2.
למרות הפוטנציאל הייחודי של גירוי מוחי לא פולשני ככלי מדעי לחקור ולווסת רשתות המוח בקרב משתתפי המחקר בריאים ובחולים, מחקרים TMS סובלים מניסוי גדול למשפט, פנים ובפרט השונות מתוך תגובות מעורר3,4,5. באופן ספציפי, במחקרים TMS של corticospinal היכולת והפלסטיות, תגובות MEP, כמו גם המושרה לטווח ארוך הפוטנציאל (LTP)-או דיכאון לטווח ארוך (בע מ)-כמו פלסטיות, התערוכה השונות הפנימית גבוה, גם כאשר את הפרמטרים הגירוי נשלטים בקפידה3,4. עם זאת, ראיות ממחקרים בעלי חיים עולה כי השינויים הנצפים של תגובות אינו מייחס “רעש אקראי” אלא במקום זאת קשורה למצבי המוח התנודות בזמן גירוי6. בהתאם, על ידי שילוב TMS עם EEG ב-בזמן אמת המוח התלוי התפיסה גירוי (כלומר, EEG-מופעלות TMS), המצב המוח מיידי תנודות ניתן להשתמש כדי למטב את העיתוי הגירוי7,8, מיכל בן 10 , . בסדר, עשר
מספר מחקרים הקשורים בשלב מיידי של תנודות עצביות מתמשך היכולת להיות מרגש עצבי באמצעות TMS מערכות EEG תואם11,12. מגבר EEG מודרני יכול להתמודד עם הפריטים האלקטרומגנטית TMS גדול, ויותר ויותר הוקמה פרוטוקולים ניסיוניים קיימים עבור שילוב של EEG עם TMS13,14 ואת ההסרה הפוסט הוק של הקשורות TMS eeg חפצים15,16. בעוד ההשפעה של המצב prestimulus המוח כפי שמוערך על ידי EEG ב TMS-התגובות מעורר ניתן להעריך באופן אקראי TMS גירויים כי הם ממוינים בפוסט הוק17,18, היישום חוזר של TMS במוח מוגדר מראש המדינה דורשת TMS. בזמן אמת11,19
כאן, התקנה מותאמת אישית של מילי-שניה-TMS הפעלת EEG משמש כדי לסנכרן פולסים TMS עם שלב מראש של תנודות המוח מתמשך11, הוכחת כי הטיה EEG שלילית של הקצב μ-alpha מתאים גבוה יותר המדינה הגדולה ביותר בקליפת המוח (המובילה להגברה משמעותית) לעומת הסטיה החיובית8,11,12,20. בכתב יד זה, אנו מציגים שיטה לביצוע פרוטוקולים TMS המופעל בזמן אמת כדי ללמוד רשתות המוח האנושי.
המוח-המדינה תלוי EEG-מופעלות TMS היא שיטה הרומן עם פרספקטיבות ייחודיות ביחס ליעילות ועקביות של ההשפעות שלאחר גירוי המוח8,9,31. היתרון העיקרי של השיטה היא כי מדינת המוח הרלוונטי מבחינה פונקציונלית עשוי להיות ממוקד במיוחד כדי להפעיל את הדופק TMS, גרימת משתנה פוטנציאלי פחות ומתמשך יותר תגובות המוח11. בזמן אמת-EEG-המופעל חוזרים TMS בשלב שלילי של sensorimotor μ-קצב של M1 אנושי (כלומר, המצב של מוגברת corticospinal היכולת הגוברת, איור 2) המושרה באופן משמעותי חזק יותר ltp הפלסטיות (עלייה ארוכת טווח של mep משרעת) לעומת המוח-המדינה עצמאי TMS11,20. בנוסף לכלי המחקר המדעי שלה, היישום של EEG-TMS בזמן אמת לאזורים הקורטיקליים, כגון קליפת המוח הקדם-חזיתית (DLSOLA), יש את הפוטנציאל להגדיל את האפקטיביות של הנוכחי הטיפול הרפואי של פרוטוקולים של גירוי מוחי.
בכתב יד זה, הצגנו את הצעדים התודולוגיים ליישום של EEG-TMS בזמן אמת. הדרישות הבסיסיות עבור הולכה של ניסויים עם שיטה זו הם, הראשון, השימוש במערכת EEG תואמת TMS עם אפשרות דיגיטלית בזמן אמת החוצה ו, השני, השימוש בזמן אמת עיבוד אותות עם יישום של זיהוי פאזה אלגוריתם24, אשר מחלץ את קצב המוח הרצוי (למשל, sensorimotor μ-קצב) מן האות EEG מוקלט באמצעות מסננים מרחביים (g., C3-ממורכז לפלסיאן מסנן) ומיישם גירוי כאשר התנאים הנבחרים (כלומר, שלב וכוח של קצב המוח המיועד) מתקיימים. הביצועים והדיוק של האלגוריתם תלויים בחוזקה על SNR של הקלטת EEG20. כך, את צעדי ההכנה EEG של הפרוטוקול הם חיוניים כדי להשיג SNR גבוהה ולהבטיח הפעלה מדויקת של TMS, ומבחר מראש של המשתתפים אולי צריך להיחשב אם תנודות היעד המתאים אינו נצפה מספיק עם EEG ב כל פרט. יתרה מזאת, השימוש בזרועות תמיכה מכנית לסלילים וכריות ואקום כדי לשתק את ראשו של המשתתף רצוי, על מנת למזער את הממצאים עקב הלחץ המשתנה של הסליל על האלקטרודות.
לגבי היישום של שיטת ה-EEG-TMS בזמן אמת בתפיסות נסיוניות, הבחירה של הקצב המוחי של הריבית עשויה להשתנות. לפיכך, התאמות של הסינון מומלץ להקל על זיהוי של פעילות המוח ממוקד. לאחרונה, כמה שיטות סינון מרחביים הוצעו בצורה אופטימלית לחלץ מדינה רלוונטית מבחינה פונקציונלית (g., בחלל הערוץ19, עם צפיפות המקור הנוכחי13, עם מסננים מרחביים מקומי11,28 , ובעזרת מסננים אינדיווידואליזציה, לדוגמה, פירוק ספקטרלי מרחבי,29). עם זאת, עד כה, לא קיים שיטה חד משמעית כדי לחלץ מן המשטח אותות EEG (חלל חיישן) בשלב האמיתי-תנודות המוח (חלל המקור). מחקרים עתידיים כי להעריך את התכתובת של משטח ואותות החלל מקור מוצדקת כדי לשפר את הדיוק של אלגוריתמים בזמן אמת של EEG.
ואילו בפרוטוקול זה יש לנו התמקדות 8-14-Hz sensorimotor μ-הקצב כדי להדגים את ההשפעה של השלב המיידי של תנודות זה על corticospinal היכולת, תנודות אחרות (למשל, ביתא, תטא, או בתשתית איטית של תנודות) יכול גם שחק תפקיד. שיטה זו יכולה, בעיקרון, לשמש למטרה למקד את השלב עבור כל תנודה שניתן לבודד עם SNR מספיק, כולל מספר רב של תנודות על גבי (למשל, מחזור שלילי של אלפא ושיא חיובי בו של גמא).
אחד המגבלה העיקרית של הניסויים EEG-TMS בזמן אמת הוא כי הרזולוציה הטמפורלית ביחס למקורות המוח הוא תלוי מאוד בהתרחשות החפץ ועקביות של גירוי. לפיכך, תנאי מוקדם ביקורתי לפרוטוקול הוא הפיקוח על ביצוע האלגוריתם (כלומר, הקפדה על הגירוי הנובע מגילוי של הפעילות העצבית ולא מעשייה במהלך הניסוי). יתרה מזאת, הניצול של השימוש העצבי למיקום אופטימלי ועקבי של סליל הגירוי (בעיקר בתפיסות נסיוניות המשתמשות באתרי גירוי כגון dlpfc) מועיל להפחתת השתנות התגובה עקב שינויים ב . מיקום הסליל הערה גם, כמגבלה נוספת, כי במפורש שנבחרו והגדיר EEG/EMG, TMS, והתקני עיבוד בזמן אמת נדרשים, יחד עם ניסיון בהכנת וניהול הניסויים באופן כזה למזער מקורות חיצוניים של תגובה שינויים שעשויים להסוות את ההשפעה של מצב מוחי מיידי.
לסיכום, הצגנו פרוטוקול סטנדרטי לביצוע ניסויים EEG-TMS בזמן אמת והציג שיטה הרומן לניצול מצבי המוח האנדוגניים של העניין (כלומר, שלבים מראש שנבחרו וכוח של תנודות המוח ממוקד) להפעיל גירוי מוחי. מחקר נוסף באמצעות השיטה EEG-TMS בזמן אמת יאפשר שיפורים מתודולוגיים ולהקל על פיתוח פרוטוקולים יעילים למחקר ואפנון של רשתות המוח האנושי.
The authors have nothing to disclose.
C.Z. מודה בתמיכה מתוכנית המדען הקליני של הפקולטה לרפואה, אוניברסיטת טיבינגן. אקדמות מכיר תמיכה מקרן המחקר הגרמני (להעניק ZI 542/7-1). T.O.B. מודה בתמיכה מקרן המחקר הגרמני (גרנט BE 6091/2-1). J.O.N. מודה תמיכה מהאקדמיה של פינלנד (החלטות No. 294625 ו 306845). המחברים מכירים בתמיכת הקרן לפרסום גישה פתוחה של אוניברסיטת טיבינגן.
EEG and EMG recording systems | |||
EEG/EMG amplifier | NeurOne with Real-time Digital Out, Bittium Biosignals Ltd., Finland | ||
TMS device | MAG & More Research 100, MAG & More GmbH, Munich, Germany | ||
Software | Mathworks Simulink Real-Time (Mathworks Ltd, USA) | ||
Stereo infrared camera neuronavigation system including reflective head tracker, pointer tool, head tracker | |||
Experimental control PC that is connected to the EEG system, the TMS stimulator, the real-time device and the neuronavigation system | |||
EEG electodes, EMG electrodes, syringes, abrasive and conductive gel | |||
Plastic wrap and adhesive tape |