Dette papir beskriver real-time elektro encephalography-udløst transcranial magnetisk stimulation at studere og moduere menneskelige hjerne netværk.
Effekten af en stimulus til hjernen afhænger ikke kun af parametrene for stimulus, men også på dynamikken i hjernens aktivitet på tidspunktet for stimulation. Kombinationen af elektroencefalografi (EEG) og transcranial magnetisk stimulation (TMS) i et real-time Brain State-afhængige stimulerings system gør det muligt at studere relationer af dynamikken i hjernens aktivitet, kortikale excitabilitet, og plasticitet induktion . Her demonstrerer vi en nyudviklet metode til at synkronisere timingen af hjerne stimulation med fasen af igangværende EEG-svingninger ved hjælp af et realtids dataanalyse system. Denne real-time EEG-udløst TMS af den menneskelige motor cortex, når TMS er synkroniseret med overfladen EEG negative peak af sensorimotor μ-Alpha (8-14 Hz) rytme, har vist differentiel kortikospinal excitabilitet og plasticitet effekter. Udnyttelsen af denne metode tyder på, at realtidsinformation om den øjeblikkelige hjerne tilstand kan anvendes til effektiv plasticitets induktion. Derudover giver denne fremgangsmåde mulighed for personlig EEG-synkroniseret hjerne stimulation, som kan føre til udvikling af mere effektive terapeutiske hjerne stimulerings protokoller.
TMS er en veletableret metode til ikke-invasiv hjerne stimulation og muliggør den specifikke graduering af den igangværende netværks dynamik og studier af kortikokortikale og kortikospinal neurale veje med høj temporale præcision1. Ved stimulering af den primære motoriske cortex (M1) kan det neurale respons kvantificeres som motorisk fremkaldt potentialer (MEP’er) samt TMS-fremkaldte EEG potentialer. MEP’er kan optages af Elektromyografi (EMG) af målmuskler, og deres amplitude reflekterer kortikospinal excitabilitet, når den primære motor cortex2stimuleres.
På trods af det unikke potentiale i ikke-invasiv hjerne stimulation som et videnskabeligt værktøj til at undersøge og moduere hjernens netværk i raske studiedeltagere og hos patienter lider TMS-studier af store forsøg til forsøg og intra-og interindividuelle variabilitet af fremkaldte svar3,4,5. Specifikt, i TMS undersøgelser af kortikospinal excitabilitet og plasticitet, MEP svar, samt induceret langsigtede potensering (LTP)-eller langsigtede depression (LTD)-lignende plasticitet, udviser høj iboende variabilitet, selv når stimulus parametre er omhyggeligt kontrolleret3,4. Evidens fra dyreforsøg viser imidlertid, at den observerede variabilitet af responser ikke kan tilskrives “tilfældig støj”, men i stedet er relateret til de svingende hjerne tilstande på tidspunktet for stimulation6. I overensstemmelse hermed, ved at kombinere TMS med EEG i en real-time Brain-State-afhængige stimulering paradigme (dvs., EEG-udløst TMS), den svingende øjeblikkelige hjernen tilstand kan bruges til at optimere stimulus timing7,8, 9 , 10.
Flere undersøgelser har relateret den øjeblikkelige fase af igangværende neurale svingninger til neuronal excitabilitet ved hjælp af TMS-kompatible EEG-systemer11,12. Moderne EEG forstærkere kan håndtere de store elektromagnetiske TMS artefakter, og stadig mere veletablerede eksperimentelle protokoller findes for kombinationen af EEG med TMS13,14 og post hoc fjernelse af TMS-relaterede EEG artefakter15,16. Mens indflydelsen af prestimulus hjernen tilstand som vurderet af EEG på TMS-fremkaldte svar kan vurderes med tilfældigt anvendte TMS stimuli, der er sorteret efter hoc17,18, gentagen anvendelse af TMS i en foruddefineret hjerne stat kræver EEG-udløst TMS11,19i realtid.
Her bruges der en brugerdefineret millisekund opløsning EEG-udløst TMS opsætning til at synkronisere TMS impulser med en forudbestemt fase af igangværende hjerne svingninger11, hvilket viser, at den negative EEG-deformation af μ-Alpha-rytmen svarer til en højere kortikale exciterbarhed tilstand (fører til større MEP amplitude) i forhold til den positive EEG deformation8,11,12,20. I dette manuskript præsenterer vi en metode til at gennemføre EEG-udløste TMS-protokoller i realtid for at studere menneskelige hjerne netværk.
Hjerne-stats-afhængige EEG-udløst TMS er en ny metode med unikke perspektiver med hensyn til effektivitet og konsistens af de efterfølgende hjerne-stimulation effekter8,9,31. Den største fordel ved metoden er, at en funktionelt relevant endogene hjerne tilstand kan være specifikt målrettet til at udløse TMS Pulse, inducerende potentielt mindre variable og længerevarende hjerne respons11. Real-time EEG-udløste gentagne TMS i den negative fase af sensorimotor μ-rytme af menneskelig M1 (dvs. tilstanden af øget kortikospinal excitabilitet, figur 2) induceret signifikant stærkere LTP-lignende plasticitet (en langsigtet stigning af MEP amplitude) sammenlignet med hjerne-stat-uafhængige TMS11,20. Ud over sin videnskabelige nytte, anvendelsen af real-time EEG-TMS til kortikale områder, såsom den dorsolaterale præfrontale cortex (DLPFC), har potentiale til at øge effektiviteten af de nuværende terapeutiske hjernen stimulation protokoller.
I dette manuskript præsenterede vi de metodologiske trin for gennemførelsen af EEG-TMS i realtid. Grundlæggende krav til overledning af eksperimenter med denne metode er for det første brugen af et TMS-kompatibelt EEG-system med en real-time digital out option og for det andet brugen af realtids signalbehandling med implementeringen af en fase detekterings algoritme24, som udtrækker den ønskede hjerne rytme (f. eks. sensorimotor μ-rytme) fra det optagne EEG-signal ved hjælp af rumlige filtre (f. eks. C3-centreret Laplacian-filter) og anvender stimulation, når der vælges prævalgte tilstande (dvs. fase og effekt af den målrettede hjerne rytme) er opfyldt. Algoritmens ydeevne og nøjagtighed afhænger stærkt af SNR af EEG-optagelsen20. Således er de EEG forberedelse trin i protokollen afgørende for at opnå en høj SNR og sikre en nøjagtig udløsning af TMS, og en Forhåndsudvælgelse af deltagere kan være nødvendigt at overvejes, hvis den respektive Target svingning ikke er tilstrækkeligt observerbare med EEG i hver enkelt person. Desuden er det tilrådeligt at bruge mekaniske Støttearme til spolerne og vakuum puderne for at spærre deltagernes hoved, for at minimere artefakter på grund af spolen varierende tryk på elektroderne.
Med hensyn til anvendelsen af real-time EEG-TMS-metoden i eksperimentelle paradigmer, kan udvælgelsen af hjernens rytme af interesse variere. Det er derfor tilrådeligt at foretage justeringer af filtreringen for at lette identifikationen af den målrettede hjerneaktivitet. For nylig er flere rumlige filtreringsmetoder blevet foreslået til optimalt at udtrække en funktionelt relevant hjerne tilstand (f. eks. i kanal rummet19, med aktuel kilde tæthed13, med lokale rumlige filtre11,28 og med individualiserede filtre, for eksempel med rumlig-spektral nedbrydning29). Endnu, indtil videre, ingen entydig metode eksisterer for at udtrække fra overfladen EEG signaler (sensor plads) den virkelige hjerne-Oscillation fase (kilde plads). Fremtidige undersøgelser, der vurderer korrespondancen mellem Surface-og Source-rumsignaler, er berettiget til at forbedre præcisionen af EEG-algoritmer i realtid.
Der henviser til, at vi i denne protokol har fokuseret på 8-14-Hz sensorimotor μ-rytme for at demonstrere indflydelsen af den øjeblikkelige fase af denne svingning på kortikospinalspinal excitabilitet, andre svingninger (f. eks. beta-, theta-eller infraslow-svingninger) kan også spille en rolle. Denne metode kan i princippet anvendes til at målrette fasen for enhver svingning, der kan isoleres med et tilstrækkeligt SNR, herunder flere overlejret svingninger (f. eks. en negativ cyklus af alpha og en samtidig positiv peak af gamma).
En af de vigtigste begrænsninger i real-time EEG-TMS eksperimenter er, at den spatiotemporale opløsning med hensyn til hjernen kilder er stærkt afhængig af artefakt forekomst og konsistens af stimulation. Derfor er en kritisk forudsætning for protokollen er overvågningen af udførelsen af algoritmen (dvs. at sikre, at stimulation sker ved påvisning af neuronal og ikke artifaktuel aktivitet i hele eksperimentet). Desuden er udnyttelsen af neuronavigation for optimal og konsekvent positionering af stimulerings spolen (især i eksperimentelle paradigmer ved hjælp af stimulations steder såsom DLPFC) nyttigt til at reducere respons variabilitet på grund af variabilitet i spole positionen. Bemærk også, som en yderligere begrænsning, at specifikt udvalgte og konfigurerede EEG/EMG, TMS, og realtid behandlingsenheder er påkrævet, sammen med erfaring med at forberede og gennemføre forsøgene på en sådan måde, at minimere eksterne kilder til respons variation, der kan maskere virkningen af øjeblikkelig hjerne tilstand.
Afslutningsvis, vi demonstrerede en standardprotokol for gennemførelse af real-time EEG-TMS eksperimenter og indførte en ny metode til at udnytte de endogene hjernen stater af interesse (dvs. forudvalgte faser og magt af en målrettet endogene hjerne svingning) til at udløse hjerne stimulation. Yderligere forskning ved hjælp af EEG-TMS-metoden i realtid vil muliggøre metodologiske forbedringer og lette udviklingen af effektive protokoller for undersøgelse og graduering af menneskelige hjerne netværk.
The authors have nothing to disclose.
C.Z. anerkender støtte fra den kliniker videnskabsmand program af det medicinske fakultet, universitetet i Tübingen. U.Z. anerkender støtte fra den tyske forskningsfond (Grant ZI 542/7-1). T.O.B. anerkender støtte fra den tyske forskningsfond (Grant BE 6091/2-1). J.O.N. anerkender støtte fra det finske Akademi (afgørelse nr. 294625 og 306845). Forfatterne anerkender støtte fra Open Access udgivelse fond af universitetet i Tübingen.
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 |