تصف هذه الورقة التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة الذي يتم تشغيله في الوقت الحقيقي لدراسة شبكات الدماغ البشري وتعديلها.
تأثير التحفيز على الدماغ يعتمد ليس فقط على المعلمات من التحفيز ولكن أيضا على ديناميات نشاط الدماغ في وقت التحفيز. مزيج من تخطيط الدماغ الكهربائي (EEG) والتحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) في الوقت الحقيقي الدماغ تعتمد على الدولة نظام التحفيز يسمح بدراسة العلاقات ديناميات نشاط الدماغ، excitability القشرية، والحث اللدونة . هنا، نقوم بتوضيح طريقة تم تطويرها حديثًا لمزامنة توقيت تحفيز الدماغ مع مرحلة التذبذبات المستمرة في تخطيط كهربية الدماغ باستخدام نظام تحليل البيانات في الوقت الحقيقي. وقد أظهرت هذه TMS التي يتم تشغيلها في الوقت الحقيقي EEG من القشرة الحركية البشرية، عندما تتم مزامنة TMS مع السطح EEG الذروة السلبية للإيقاع sensorimotor μ-alpha (8-14 Hz)، إمكانية الاستئصال الكورتيكلبينسي التفاضلي ة وآثار اللدونة. استخدام هذه الطريقة يشير إلى أن المعلومات في الوقت الحقيقي حول حالة الدماغ الفورية يمكن استخدامها للتحريض اللدونة فعالة. بالإضافة إلى ذلك، يتيح هذا النهج تحفيز الدماغ المتزامن مع EEG الشخصية التي قد تؤدي إلى تطوير بروتوكولات تحفيز الدماغ العلاجية أكثر فعالية.
TMS هو طريقة راسخة لتحفيز الدماغ غير الغازية وتمكن من التشكيل محددة من ديناميات الشبكة الجارية ودراسات الممرات العصبية القشرية والكورتيكيزالي مع دقة عالية spatiotemporal1. عند تحفيز القشرة الحركية الأولية (M1)، يمكن قياس الاستجابة العصبية كإمكانات المحرك (MEPs)، فضلا عن إمكانات تخطيط الدماغ التي تثيرها TMS. يمكن تسجيل أعضاء البرلمان من خلال التصوير الكهربائي (EMG) من العضلات المستهدفة، واتساعها يعكس استقانه الكورتيكوتبينالعند تحفيز القشرة الحركية الأولية2.
على الرغم من الإمكانات الفريدة لتحفيز الدماغ غير الغازية كأداة علمية للتحقيق وتعديل شبكات الدماغ في المشاركين في الدراسة الصحية وفي المرضى، ودراسات TMS تعاني من مرحلة كبيرة من التجربة إلى المحاكمة والتباين بين الأفراد من الردود التي أثيرت3،4،5. على وجه التحديد، في دراسات TMS من استحالة الكورتيكوستيبينال واللدونة، والاستجابات MEP، فضلا عن التقوية المستحثة على المدى الطويل (LTP) – أو الاكتئاب على المدى الطويل (LTD) مثل اللدونة، وتظهر تقلب كبير جوهري، حتى عندما المعلمات التحفيز يتم التحكم فيها بعناية3،4. ومع ذلك، تشير الأدلة المستقاة من الدراسات الحيوانية إلى أن التغير الملحوظ في الاستجابات لا يعزى إلى “الضوضاء العشوائية” بل يرتبط بدلاً من ذلك بتقلب حالات الدماغ في وقت التحفيز6. وبناء على ذلك، من خلال الجمع بين TMS مع تخطيط الدماغ في الوقت الحقيقي الدماغ الدولة تعتمد على نموذج التحفيز (أي، EEG التي تسببها TMS)، يمكن استخدام حالة الدماغ الفورية المتقلبة لتحسين توقيت التحفيز7،8، 9 , 10.
وقد ارتبطت العديد من الدراسات المرحلة الفورية من التذبذبات العصبية الجارية إلى الإثارة العصبية باستخدام أنظمة تخطيط الدماغ متوافقة مع TMS11،12. مكبرات الصوت EEG الحديثة يمكن التعامل مع القطع الأثرية TMS الكهرومغناطيسية الكبيرة، والبروتوكولات التجريبية راسخة على نحو متزايد موجودة للمزيج من تخطيط الدماغ مع TMS13،14 وإزالة ما بعد مخصص من تخطيط الدماغ TMS ذات الصلة TMS القطع الأثرية15،16. في حين أن تأثير حالة الدماغ prestimulus كما تقيمها EEG على الاستجابات التي تثيرها TMS يمكن تقييمها مع المحفزات TMS المطبقة عشوائيا التي يتم فرزها بعد مخصص17،18، التطبيق المتكرر لنظام إدارة التموجات في الدماغ محددة مسبقا الدولة يتطلب في الوقت الحقيقي EEG التي أثارها TMS11،19.
هنا، يتم استخدام إعداد TMS حسب الطلب بالتحليل EEG الذي يتم تشغيله لمزامنة نبضات TMS مع مرحلة محددة مسبقًا من التذبذبات الدماغية المستمرة11،مما يدل على أن انحراف تخطيط كهربية الدماغ السالب ة من إيقاع ألفا = أعلى حالة استحالة القشرية (مما يؤدي إلى سعة أكبر MEP) بالمقارنة معانحراف EEG إيجابية 8،11،12،20. في هذه المخطوطة، نقدم طريقة لإجراء بروتوكولات TMS التي يتم تشغيلها في الوقت الحقيقي لدراسة شبكات الدماغ البشري.
الدماغ الدولة تعتمد على تخطيط الدماغ التي أثارها TMS هو أسلوب جديد مع وجهات نظر فريدة من نوعها فيما يتعلق بفعالية واتساق آثار تحفيز الدماغ التي تلتذلك 8،9،31. والميزة الرئيسية للطريقة هي أن حالة الدماغ الذاتية ذات الصلة وظيفيا قد تكون موجهة على وجه التحديد لتحريك نبض TMS، مما يؤدي إلى استجابات الدماغ أقل متغيرة وأطول أمدا11. TMS المتكررة في الوقت الحقيقي التي أثارها تخطيط كهربية الدماغ في المرحلة السلبية من الحسية الحركية – إيقاع M1 البشري (أي حالة زيادة استحالة الكورتيكوستيبين، الشكل2) الناجمة عن اللدونة الشبيهة بـ LTP أقوى بكثير (زيادة طويلة الأجل من MEP السعة) مقارنة مع الدماغ الدولة المستقلة TMS11،20. بالإضافة إلى فائدتهالعلمية، فإن تطبيق EEG-TMS في الوقت الحقيقي على المناطق القشرية، مثل القشرة الأمامية الظهرية (DLPFC)، لديه القدرة على زيادة فعالية بروتوكولات تحفيز الدماغ العلاجية الحالية.
في هذه المخطوطة، عرضنا الخطوات المنهجية لتنفيذ EEG-TMS في الوقت الحقيقي. المتطلبات الأساسية لإجراء التجارب مع هذه الطريقة هي، أولا، استخدام نظام تخطيط كهربية الدماغ متوافق مع TMS مع خيار الخروج الرقمي في الوقت الحقيقي، وثانيا، استخدام معالجة الإشارات في الوقت الحقيقي مع تنفيذ الكشف عن المرحلة خوارزمية24، الذي يستخرج إيقاع الدماغ المطلوب (على سبيل المثال، sensorimotor μ-rhythm) من إشارة تخطيط كهربية الدماغ المسجلة باستخدام المرشحات المكانية (على سبيل المثال، مرشح لابلاسيان الذي يركز على C3) ويطبق التحفيز عند الظروف المحددة مسبقاً (أي مرحلة وقوة يتم تلبية إيقاع الدماغ المستهدفة) . يعتمد أداء ودقة الخوارزمية بقوة على SNR لتسجيل EEG20. وبالتالي، فإن خطوات إعداد فريق الخبراء البيئية في البروتوكول حاسمة لتحقيق نظام المعلومات البيئية العالي وضمان التحريك الدقيق للإدارة الانتقالية، وقد يلزم النظر في الاختيار المسبق للمشاركين إذا لم يكن التذبذب المستهدف المعني قابلاً للملاحظة بما فيه الكفاية مع تخطيط كهربية الدماغ في كل فرد. وعلاوة على ذلك، فإن استخدام أذرع الدعم الميكانيكية لللفائف والوسائد فراغ لشل رأس المشارك من المستحسن، من أجل تقليل القطع الأثرية بسبب الضغط متفاوتة من لفائف على الأقطاب الكهربائية.
وفيما يتعلق بتطبيق طريقة EEG-TMS في الوقت الحقيقي في النماذج التجريبية، قد يختلف اختيار إيقاع الدماغ للاهتمام. وبالتالي، من المستحسن إجراء تعديلات على التصفية لتسهيل تحديد نشاط الدماغ المستهدف. في الآونة الأخيرة، تم اقتراح العديد من طرق التصفية المكانية لاستخراج حالة الدماغ ذات الصلة وظيفيا على النحو الأمثل (على سبيل المثال، في مساحة القناة19، مع كثافة المصدر الحالية13، مع المرشحات المكانية المحلية11،28 ، ومع مرشحات فردية باستخدام، على سبيل المثال، التحلل المكاني الطيفي29). ومع ذلك، لا توجد حتى الآن طريقة لا لبس فيها لاستخراج من إشارات تخطيط الدماغ السطحية (الفضاء الاستشعار) مرحلة التذبذب الدماغ الحقيقي (الفضاء المصدر). وهناك ما يبرر إجراء دراسات في المستقبل تقيّم تطابق إشارات السطح ومصدر الفضاء لتحسين دقة خوارزميات تخطيط كهربية الدماغ في الوقت الحقيقي.
في حين أننا في هذا البروتوكول ركزنا على 8-14 هرتز الحسية مأسو إيقاع لإثبات تأثير المرحلة الفورية من هذا التذبذب على الإثارة القشرية الشوكية، والتذبذبات الأخرى (على سبيل المثال، بيتا، ثيتا، أو التذبذبات تحت الإبطاء) قد أيضا تلعب دورا. ويمكن، من حيث المبدأ، استخدام هذه الطريقة لاستهداف المرحلة لأي تذبذب يمكن عزله بكمية كافية من التذبذبات، بما في ذلك التذبذبات المتعددة المفروضة (على سبيل المثال، دورة سالبة من ألفا وذروة إيجابية متزامنة من غاما).
أحد القيود الرئيسية للتجارب EEG-TMS في الوقت الحقيقي هو أن القرار الصدغي فيما يتعلق بمصادر الدماغ يعتمد بشدة على حدوث القطع الأثرية واتساق التحفيز. ولذلك، فإن الشرط الأساسي الحاسم للبروتوكول هو رصد أداء الخوارزمية (أي ضمان حدوث التحفيز عند الكشف عن النشاط العصبي وليس القطع يُعقد طوال التجربة). وعلاوة على ذلك، فإن استخدام الملاحة العصبية لتحديد المواقع المثلى والمتسقة للفائف التحفيز (وخاصة في النماذج التجريبية باستخدام مواقع التحفيز مثل DLPFC) مفيد للحد من تقلب الاستجابة بسبب التباين في ملف الموقف. لاحظ أيضًا، كقيد آخر، أن هناك حاجة إلى أجهزة تخطيط كهربية الدماغ/تخطيط كهربية الدماغ وأجهزة إدارة التضمين أو التضمين التلقائي، وأجهزة المعالجة في الوقت الحقيقي، إلى جانب الخبرة في إعداد وإجراء التجارب بطريقة تقلل إلى أدنى حد من مصادر الاستجابة الخارجية التغير الذي قد يخفي تأثير حالة الدماغ الفورية.
وفي الختام، أظهرنا بروتوكولاً معيارياً لإجراء تجارب في الوقت الحقيقي على EEG-TMS وأدخلنا طريقة جديدة لاستخدام حالات الفائدة الدماغية الذاتية (أي المراحل المختارة مسبقاً وقوة التذبذب الدماغي المحلي المستهدف) لتحريك تحفيز الدماغ. ومن شأن إجراء مزيد من البحوث باستخدام طريقة EEG-TMS في الوقت الحقيقي أن يتيح إدخال تحسينات منهجية ويسهل وضع بروتوكولات فعالة لدراسة وتعديل شبكات الدماغ البشرية.
The authors have nothing to disclose.
يعترف C.Z. بدعم من برنامج العلماء الأطباء من كلية الطب، جامعة توبنجن. تعترف الولايات المتحدة بدعم من مؤسسة البحوث الألمانية (منحة ZI 542/7-1). T.O.B. يعترف بدعم من مؤسسة البحوث الألمانية (منحة BE 6091/2-1). وينوه J.O.N. بالدعم المقدم من أكاديمية فنلندا (القراران رقم 294625 و306845). ويعترف المؤلفان بدعم صندوق النشر المفتوح التابع لجامعة توبنجن.
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 |