Questo documento descrive la stimolazione magnetica transcranica attivata dall’elettroencefalografia in tempo reale per studiare e modulare le reti cerebrali umane.
L’effetto di uno stimolo al cervello dipende non solo dai parametri dello stimolo, ma anche dalla dinamica dell’attività cerebrale al momento della stimolazione. La combinazione di elettroencefalografia (EEG) e stimolazione magnetica transcranica (TMS) in un sistema di stimolazione dipendente dallo stato cerebrale in tempo reale consente di studiare le relazioni della dinamica dell’attività cerebrale, dell’eccitabilità corticale e dell’induzione della plasticità . Qui, dimostriamo un metodo di recente sviluppo per sincronizzare la tempistica della stimolazione cerebrale con la fase delle oscillazioni EEG in corso utilizzando un sistema di analisi dei dati in tempo reale. Questo TMS in tempo reale attivato da EEG della corteccia motoria umana, quando la TMS è sincronizzata con il picco negativo EEG superficiale del ritmo sensoriale-alfa (8-14 Hz), ha mostrato effetti differenziali di eccitabilità e plasticità corticospinali. L’utilizzo di questo metodo suggerisce che le informazioni in tempo reale sullo stato cerebrale istantaneo possono essere utilizzate per l’induzione di plasticità efficace. Inoltre, questo approccio consente una stimolazione cerebrale personalizzata con sincronizzazione EEG che può portare allo sviluppo di protocolli di stimolazione cerebrale terapeutica più efficaci.
Il TMS è un metodo ben consolidato per la stimolazione cerebrale non invasiva e consente la modulazione specifica delle dinamiche di rete in corso e gli studi delle vie neurali corticocorticali e corticospinali con elevata precisione spatiotemporale1. Quando si stimola la corteccia motoria primaria (M1), la risposta neurale può essere quantificata come potenziali evocati dal motore (MEP), così come potenziali EEG evocati da TMS. Gli eurodeputati possono essere registrati mediante elettromiografia (EMG) dei muscoli bersaglio e la loro ampiezza riflette l’eccitabilità corticospinale quando stimola la corteccia motoria primaria2.
Nonostante il potenziale unico della stimolazione cerebrale non invasiva come strumento scientifico per studiare e modulare le reti cerebrali nei partecipanti a uno studio sano e nei pazienti, gli studi Sulla TMS soffrono di una grande variabilità sperimentale e intra e interindividuale delle risposte evocate3,4,5. In particolare, negli studi TMS sull’eccitabilità e la plasticità corticospinali, le risposte dell’eurodeputato, nonché la plasticità indotta di potenziamento a lungo termine (LTP) o depressione a lungo termine (LTD), presentano un’elevata variabilità intrinseca, anche quando i parametri di stimolo sono attentamente controllati3,4. Tuttavia, le prove provenienti da studi sugli animali indicano che la variabilità osservata delle risposte non è attribuibile al “rumore casuale”, ma è invece correlata agli stati fluttuanti del cervello al momento della stimolazione6. Di conseguenza, combinando TMS con EEG in un paradigma di stimolazione dipendente dallo stato cerebrale in tempo reale (cioè TMS attivato da EEG), lo stato del cervello istantaneo fluttuante può essere utilizzato per ottimizzare la temporizzazione degli stimoli7,8, 9 (in vie , 10.
Diversi studi hanno raccontato la fase istantanea delle oscillazioni neurali in corso all’eccitabilità neuronale utilizzando sistemi EEG compatibili con TMS11,12. Gli amplificatori EEG moderni sono in grado di gestire i grandi artefatti TMS elettromagnetici e esistono protocolli sperimentali sempre più consolidati per la combinazione di EEG con TMS13,14 e la rimozione post hoc di EEG correlati a TMS manufatti15,16. Mentre l’influenza dello stato cerebrale prestimulo, come valutato da EEG sulle risposte evocate tramite TMS, può essere valutata con stimoli TMS applicati in modo casuale ordinati dopo l’hoc17,18, l’applicazione ripetitiva di TMS in un cervello predefinito richiede TMS11,19in tempo reale attivato da EEG.
In questo caso, viene utilizzata una configurazione TMS personalizzata attivata da EEG a risoluzione di millisecondi per sincronizzare gli impulsi TMS con una fase predeterminata di oscillazioni cerebrali in corso11, dimostrando che la deflessione EEG negativa del ritmo alfa corrisponde a un livello superiore Stato di eccitabilità corticale (che porta ad ampiezza MEP più grandi) rispetto alla deviazione EEG positiva8,11,12,20. In questo manoscritto, presentiamo un metodo per condurre protocolli TMS attivati da EEG in tempo reale per studiare le reti cerebrali umane.
TMS attivato da EEG dipendente dallo stato del cervello è un nuovo metodo con prospettive uniche per quanto riguarda l’efficacia e la coerenza degli effetti di stimolazione cerebrale che ne derivano8,9,31. Il vantaggio principale del metodo è che uno stato endogeno endogeno funzionalmente rilevante può essere specificamente mirato per innescare l’impulso TMS, inducendo risposte cerebrali potenzialmente meno variabili e più durature11. In tempo reale, la TMS ripetitiva attivata dall’EEG nella fase negativa del ritmo z-motor sensoriale dell’Uomo M1 (cioè lo stato di aumento dell’eccitabilità corticospinale, Figura 2) ha indotto plasticità simile a LTP significativamente più forte (un aumento a lungo termine dell’eurodeputato l’ampiezza) rispetto al TMS11,20. Oltre alla sua utilità scientifica, l’applicazione di EEG-TMS in tempo reale alle aree corticali, come la corteccia prefrontale dorsolaterale (DLPFC), ha il potenziale per aumentare l’efficacia degli attuali protocolli di stimolazione cerebrale terapeutica.
In questo manoscritto, abbiamo presentato i passaggi metodologici per l’implementazione di EEG-TMS in tempo reale. Requisiti fondamentali per la conduzione di esperimenti con questo metodo sono, in primo luogo, l’uso di un sistema EEG compatibile con TMS con un’opzione di uscita digitale in tempo reale e, in secondo luogo, l’uso dell’elaborazione del segnale in tempo reale con l’implementazione di un rilevamento di fase algoritmo24, che estrae il ritmo cerebrale desiderato (ad es., sensorimotore a ritmo z) dal segnale EEG registrato utilizzando filtri spaziali (ad esempio, filtro Laplaciano c3-centrato) e applica la stimolazione in caso di condizioni preselezionate (cioè fase e potenza di il ritmo cerebrale mirato). Le prestazioni e la precisione dell’algoritmo dipendono fortemente dalla SNR della registrazione EEG20. Pertanto, le fasi di preparazione dell’EEG del protocollo sono cruciali per ottenere un SNR elevato e garantire un’esatta attivazione del TMS, e potrebbe essere necessario prendere in considerazione una preselezione dei partecipanti se l’oscillazione dei rispettivi obiettivi non è sufficientemente osservabile con EEG in ogni individuo. Inoltre, è consigliabile utilizzare bracci di supporto meccanico per le bobine e i cuscini sottovuoto per immobilizzare la testa del partecipante, al fine di ridurre al minimo gli artefatti a causa della pressione variabile della bobina sugli elettrodi.
Per quanto riguarda l’applicazione del metodo EEG-TMS in tempo reale nei paradigmi sperimentali, la selezione del ritmo cerebrale di interesse può variare. Pertanto, le regolazioni del filtraggio sono consigliabili di facilitare l’identificazione dell’attività cerebrale mirata. Recentemente, sono stati proposti diversi metodi di filtraggio spaziale per estrarre in modo ottimale uno stato cerebrale funzionalemente rilevante (ad esempio, nello spazio canale19, con densità di origine corrente13, con filtri spaziali locali11,28 e con filtri personalizzati che utilizzano, ad esempio, la decomposizione spaziale-spettrale29). Tuttavia, finora, non esiste un metodo inequivocabile per estrarre dai segnali EEG di superficie (spazio del sensore) la fase reale di oscillazione del cervello (spazio di origine). Studi futuri che valutano la corrispondenza dei segnali di superficie e spazio di origine sono garantiti per migliorare la precisione degli algoritmi EEG in tempo reale.
Mentre in questo protocollo ci siamo concentrati sul ritmo a s- sensomotoria a 8-14 Hz per dimostrare l’influenza della fase istantanea di questa oscillazione sull’eccitabilità corticospinale, altre oscillazioni (ad esempio, beta, theta o oscillazioni a infrarossi) possono anche svolgere un ruolo. Questo metodo può, in linea di principio, essere utilizzato per indirizzare la fase per qualsiasi oscillazione che può essere isolata con un SNR sufficiente, comprese più oscillazioni sovrapposte (ad esempio, un ciclo negativo di alfa e un picco positivo simultaneo di gamma).
Una delle principali limitazioni degli esperimenti EEG-TMS in tempo reale è che la risoluzione spatiotemporale rispetto alle fonti cerebrali è fortemente dipendente dalla comparsa di artefatto e dalla consistenza della stimolazione. Pertanto, un prerequisito critico del protocollo è il monitoraggio delle prestazioni dell’algoritmo (cioè, assicurando che la stimolazione si verifichi al rilevamento dell’attività neuronale e non artifeffettiva durante l’esperimento). Inoltre, l’utilizzo della neuronavigazione per un posizionamento ottimale e coerente della bobina di stimolazione (specialmente nei paradigmi sperimentali che utilizzano siti di stimolazione come DLPFC) è utile per ridurre la variabilità della risposta dovuta alla variabilità posizione della bobina. Si noti inoltre, come ulteriore limitazione, che sono necessari dispositivi eEG/EMG, TMS e dispositivi di elaborazione in tempo reale specificamente selezionati e configurati, insieme all’esperienza nella preparazione e nello svolgimento degli esperimenti in modo da ridurre al minimo le fonti esterne di risposta variabilità che può mascherare l’effetto di istantanea stato del cervello.
In conclusione, abbiamo dimostrato un protocollo standard per condurre esperimenti EEG-TMS in tempo reale e introdotto un nuovo metodo per utilizzare gli stati endogeni del cervello di interesse (cioè fasi preselezionate e potenza di un’oscillazione endogena cerebrale mirata) per innescare la stimolazione cerebrale. Ulteriori ricerche con il metodo EEG-TMS in tempo reale consentiranno miglioramenti metodologici e faciliteranno lo sviluppo di protocolli efficaci per lo studio e la modulazione delle reti cerebrali umane.
The authors have nothing to disclose.
Il programma clinico di scienziati della Facoltà di Medicina dell’Università di Tubinga, è il sostegno di C.. a . L’Unione europea riconosce il sostegno della Fondazione tedesca per la ricerca (concessione di T.O.B. riconosce il sostegno della Fondazione tedesca per la ricerca (sovvenzione BE 6091/2-1). J.O.N. riconosce il sostegno dell’Accademia di Finlandia (decisioni n. 294625 e 306845). Gli autori riconoscono il sostegno dell’Open Access Publishing Fund dell’Università di Tubinga.
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 |