Denna uppsats beskriver i realtid elektroencefalografi-utlöst transkraniell magnetisk stimulering för att studera och modulera mänskliga hjärn nätverk.
Verkställa av en stimulans till hjärnan beror inte endast på parametrarna av stimulansen men också på dynamiken av hjärnaktivitet på tiden av stimulansen. Kombinationen av elektroencefalografi (EEG) och transkrraniell magnetisk stimulering (TMS) i realtid Brain State-beroende stimulanssystem gör det möjligt att studera relationer av dynamik i hjärnans aktivitet, kortikala retbarhet, och plasticitet induktion . Här demonstrerar vi en nyutvecklad metod för att synkronisera tidpunkten för hjärnstimulering med fasen av pågående EEG-svängningar med hjälp av ett dataanalyssystem i realtid. Denna realtid EEG-utlöst TMS av människans motoriska cortex, när TMS synkroniseras med ytan EEG negativ topp av sensomotoriska μ-alfa (8-14 Hz) rytm, har visat differentiell kortikospinal retbarhet och plasticitet effekter. Utnyttjandet av denna metod tyder på att realtidsinformation om den momentana hjärntillstånd kan användas för effektiv plasticitet induktion. Dessutom, detta tillvägagångssätt möjliggör personlig EEG-synkroniserad hjärnstimulering som kan leda till utveckling av mer effektiva terapeutiska hjärnan stimulering protokoll.
TMS är en väletablerad metod för noninvasiv hjärnstimulering och möjliggör specifik modulering av pågående nätverksdynamik och studier av kortikokortikala och kortikospinalneurala vägar med hög spatiotemporal precision1. Vid stimulering av primär motoriska cortex (M1) kan neurala svar kvantifieras som motor framkallade potentialer (parlamentsledamöter), samt TMS-framkallade EEG potentialer. Ledamöter kan registreras av Elektromyografi (EMG) av mål muskler, och deras amplitud återspeglar kortikospinal retbarhet när stimulera den primära motoriska cortex2.
Trots den unika potentialen hos noninvasiv hjärnstimulering som ett vetenskapligt verktyg för att undersöka och modulera hjärnans nätverk hos friska studiedeltagare och hos patienter, lider TMS studier av stora prövningar till rättegång och intra-och interindividuella variationer av framkallat svar3,4,5. Specifikt, i TMS studier av kortikospinal retbarhet och plasticitet, MEP svar, samt inducerad långsiktig potentiering (LTP)-eller långvarig depression (LTD)-liknande plasticitet, uppvisar hög inneboende variation, även när de stimulans parametrarna kontrolleras noggrant3,4. Emellertid, belägg från djurstudier visar att den observerade variationen av svar är inte hänförlig till “slumpmässigt brus” utan är i stället relaterat till de fluktuerande hjärn tillstånden vid tidpunkten för stimulering6. Följaktligen, genom att kombinera TMS med EEG i realtid Brain-State-beroende stimulering paradigm (dvs., EEG-utlöst TMS), fluktuerande momentan hjärnans tillstånd kan användas för att optimera stimulans timing7,8, 9 , 10.
Flera studier har relaterat den momentana fasen av pågående neurala svängningar till neuronala retbarhet med hjälp av TMS-kompatibla EEG-system11,12. Moderna EEG-förstärkare kan hantera de stora elektromagnetiska TMS-artefakterna, och allt mer väletablerade experimentella protokoll finns för kombinationen av EEG med TMS13,14 och den post-hoc avlägsnande av TMS-relaterade EEG artefakter15,16. Medan påverkan av den prestimulus hjärntillstånd som utvärderats av EEG på TMS-framkallade svar kan bedömas med slumpmässigt tillämpade TMS stimuli som sorteras post hoc17,18, repetitiv applicering av TMS i en fördefinierad hjärna tillstånd kräver i realtid EEG-utlöst TMS11,19.
Här används en anpassad millisekundupplösning EEG-utlöst TMS setup för att synkronisera TMS pulser med en förutbestämd fas av pågående hjärn svängningar11, vilket visar att den negativa EEG-deformationen av μ-alfa-rytmen motsvarar en högre kortikal retbarhet tillstånd (leder till större MEP amplituder) jämfört med den positiva EEG avböjning8,11,12,20. I detta manuskript presenterar vi en metod för att genomföra EEG-utlöst TMS-protokoll i realtid för att studera mänskliga hjärn nätverk.
Brain-State-beroende EEG-utlöst TMS är en ny metod med unika perspektiv med avseende på effektivitet och konsekvens av den efterföljande hjärnan-stimulering effekter8,9,31. Den största fördelen med metoden är att en funktionellt relevant endogent hjärntillstånd kan vara särskilt riktade för att utlösa TMS pulsen, inducera potentiellt mindre varierande och längre livslängd hjärnan svar11. Real tid EEG-utlöst repetitiva TMS i den negativa fasen av sensorimotorik μ-rytm av humant M1 (dvs., tillståndet för ökad kortikospinalretbarhet, figur 2) inducerade betydligt starkare ltp-liknande plasticitet (en långsiktig ökning av MEP amplitud) jämfört med Brain-State-oberoende TMS11,20. Förutom dess vetenskapliga nytta, tillämpningen av realtid EEG-TMS till kortikala områden, såsom dorsolateral prefrontala cortex (DLPFC), har potential att öka effektiviteten i nuvarande terapeutiska hjärnan stimulering protokoll.
I detta manuskript presenterade vi de metodologiska stegen för genomförandet av EEG-TMS i realtid. Grundläggande krav för ledning av experiment med denna metod är, för det första, användningen av ett TMS-kompatibelt EEG-system med en realtids-digital ut alternativ och, för det andra, användningen av realtids signalbehandling med genomförandet av en fas-upptäckt algoritm24, som extraherar önskad hjärn rytm (t. ex. sensorimotorik μ-rytm) från den inspelade EEG-signalen med hjälp av spatiala filter (t. ex. C3-centrerade Laplacian filter) och applicerar stimulering när prevalda förhållanden (dvs. fas och effekt av den riktade hjärn rytmen) uppfylls. Utförandet och exaktheten av algoritmen beror starkt på SNR av EEG-inspelningen20. Således är EEG förberedelsesteg av protokollet avgörande för att uppnå en hög SNR och säkerställa korrekt utlösning av TMS, och ett preselection av deltagarna kan behöva övervägas om respektive mål svängning inte är tillräckligt observerbar med EEG i varje individ. Dessutom är användningen av mekaniska stöd armar för spolar och vakuum kuddar att immobilisera deltagarens huvud tillrådligt, för att minimera artefakter på grund av varierande tryck på spolen på elektroderna.
När det gäller tillämpningen av realtid EEG-TMS metod i experimentella paradigm, kan valet av hjärnans rytm av intresse variera. Således, justeringar av filtreringen är tillrådligt att underlätta identifieringen av den riktade hjärnaktiviteten. Nyligen har flera rumsliga filtreringsmetoder föreslagits för att optimalt extrahera ett funktionellt relevant hjärntillstånd (t. ex. i kanalutrymme19, med strömkällans densitet13, med lokala rumsliga filter11,28 , och med individualiserade filter med till exempel spatial-spektrala nedbrytning29). Ännu, hittills, ingen entydig metod finns för att extrahera från ytan EEG-signaler (sensor rymden) den verkliga hjärnan-svängning fas (källa rymden). Framtida studier som bedömer överensstämmelsen mellan yt-och käll utrymmes signaler är motiverade för att förbättra precisionen i realtids EEG-algoritmer.
I detta protokoll har vi fokuserat på 8-14-Hz sensorimotorik μ-rytm för att påvisa påverkan av den momentana fasen av denna svängning på kortikospinalexcitabilitet, andra svängningar (t. ex. beta, theta eller infraslow-svängningar) kan också spela en roll. Denna metod kan, i princip, användas för att rikta fasen för någon svängning som kan isoleras med en tillräcklig SNR, inklusive flera överlagda svängningar (t. ex. en negativ cykel av alfa och en samtidig positiv topp gamma).
En huvudsaklig begränsning i realtid EEG-TMS experiment är att den spatiotemporal upplösningen med avseende på hjärnans källor är starkt beroende av artefakt förekomst och konsistens av stimulering. Därför är en kritisk förutsättning för protokollet övervakning av utförandet av algoritmen (dvs., se till att stimulering sker vid detektion av neuronala och inte artifaktorisk aktivitet hela experimentet). Dessutom är användningen av miniinvasiv för optimal och konsekvent positionering av stimuleringspolen (särskilt i experimentella paradigm med hjälp av stimuleringssajter som dlpfc) användbart för att minska responsvariabilitet på grund av variation i spolens position. Observera också, som en ytterligare begränsning, att specifikt utvalda och konfigurerade EEG/EMG, TMS och realtids behandling enheter krävs, tillsammans med erfarenhet av att förbereda och genomföra experiment på ett sådant sätt att minimera externa källor till respons variation som kan maskera effekten av momentana hjärntillstånd.
Sammanfattningsvis har vi visat ett standardprotokoll för att genomföra EEG-TMS-experiment i realtid och infört en ny metod för att utnyttja de endogena hjärn tillstånden av intresse (dvs. förvalda faser och kraften hos en riktad endogent hjärn Oscillation) för att utlösa hjärnstimulering. Ytterligare forskning med hjälp av realtids metoden EEG-TMS kommer att möjliggöra metodologiska förbättringar och underlätta utvecklingen av effektiva protokoll för studier och modulering av mänskliga hjärn nätverk.
The authors have nothing to disclose.
C.Z. erkänner stöd från klinikern vetenskapsman program för medicinska fakulteten, universitetet i Tübingen. U.Z. erkänner stöd från den tyska forskningsstiftelsen (Grant ZI 542/7-1). T.O.B. erkänner stöd från den tyska forskningsstiftelsen (Grant BE 6091/2-1). J.O.N. erkänner stöd från Finlands Akademi (beslut nr 294625 och 306845). Författarna erkänner stöd av Open Access förlags fond vid 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 |