Name: 간질 환자의 뇌 흥분을 연결 관련 평가하는 멀티 모달 Imaging- 및 자극 기반 방법 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-11-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 23 s
Description: 학습하세요 간질 환자의 뇌 피질 과흥분성을 평가하는 다중 모달 영상 및 자극 기반 방법을 통해. 이 기법은 정상 뇌파에서도 과흥분성을 감지하여 간질 발작 회로를 치료적으로 표적화할 수 있습니다.

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저자는 유발된 전기 활동의 근원 추정 섹션에 도움을 준 Emily L. Thorn, B.A.에게 감사의 뜻을 전합니다. MMS는 Harvard Catalyst/The Harvard Clinical and Translational Science Center(National Center for Research Resources 및 National Center for Advancing Translational Sciences, National Institutes of Health Award KL2 TR001100)의 KL2/Catalyst Medical Research Investigator Training Award의 지원을 받았습니다. CJC는 미국 국립보건원(National Institutes of Health, 5K12NS066225)의 보조금으로 지원되었습니다. APL은 Sidney R. Baer Jr. Foundation, National Institutes of Health(R01 HD069776, R01 NS073601, R21 MH099196, R21 NS082870, R21 NS085491, R21 HD07616) 및 Harvard Catalyst/Harvard Clinical and Translational Science Center(NCRR 및 NCATS, NIH UL1 RR025758)의 보조금으로 부분적으로 지원되었습니다. BSC는 미국 국립신경장애뇌졸중연구소(National Institute of Neurological Disorders and Stroke, R01 NS073601)의 지원을 받았습니다.

MMS, SWG, CJC 및 BSC는 공개할 것이 없습니다. APL은 Nexstim, Neuronix, Starlab Neuroscience, Neuroelectrics 및 Neosync의 과학 자문 위원회에서 활동하고 있으며 경두개 자기 자극(TMS)과 뇌파 검사(EEG) 및 자기 공명 영상(MRI)의 실시간 통합에 대한 여러 발행 및 출원 중인 특허의 발명가로 등재되어 있습니다.

휴식 상태의 기능적 연결성 MRI는 인간의 뇌에서 네트워크 접속을 식별하고, 다른 질환 상태에서 발생 26,31,32 연결성의 변화를 식별하기 위해 사용되어왔다. 자기 공명 기능적 연결이 BOLD 신호의 상관 관계를 식별하는 기초로서 혈중 산소의 변화를 기초 신경 활동 인과 의미 이들의 fMRI 연결 발견 생리 관련성 적지 않은 관계가 그러나 및 불분명하다. TMS는 특정 대뇌 피질의 영역에서 뇌 활동의 공간적 시간적 대상으로 조작을 할 수 있습니다; EEG과 결합 될 때, TMS는 다양한 뇌 영역에 걸쳐 자극 뇌의 반응을 평가할 수있다. 연결성에 변화가 관찰 근본적인 질병 병리 생리학에 관련된 수있는 생리 학적 상관 관계가 있는지 따라서, TMS-EEG은 평가 변형의 fMRI 기능적 연결성 영역에 적용될 수있다. 이 문서 인해 비정상적인 기능 연결 네트워크 (37)의 개발과 관련되는 두뇌 발달, 뇌실 주위 결절 헤테로 토피아의 기형에 간...

경 두개 자기 자극 (TMS)은 비 침습적 전자기 유도를 통해 피질의 영역을 자극하는 수단이다. TMS에서는 크지 만 공간적으로 제한된 자속 대상 피질 영역에 전계를 유도하고, 이에 기초 신경 조직의 활성을 조절하는데 사용된다. 모터의 운동 피질 결과에 TMS는 근전도 (EMG)을 통해 주변으로 측정 할 수있는 잠재력을 불러 일으켰다. 쌍 또는 삼중 펄스에 적용될 때, TMS 특정 intracortical GABA 성 및 glutaminergic 회로 1-3의 활성을 평가함으로써, 인간 환자의 생체 내에서 여기 및 억제의 균형을 평가할 수있다. 특히 간질에서, TMS 연구는 대뇌 피질의 hyperexcitability 간질 4,5 환자에서 존재하는 것으로 나타났습니다, 그리고 약물 (6)에 대한 응답을 예측하여 성공적인 항 간질 약물 치료를 정상화하고있다. 대뇌 피질의 전의 또한, TMS 측정하나의 발작 (7)와 일반화 된 특발성 및 취득 초점 간질 (8) 두 환자의 형제 자매에 환자의 중간 값을 표시 citability. 이러한 연구 결과는 대뇌 피질의 흥분의 TMS 측정은 우리가 간질에 대한 endophenotypes를 식별 할 수 있습니다 것이 좋습니다. TMS-EMG 전용 모터 피질 회로를 자극하여 평가 될 수 있고, 많은 간질 환자가 운동 피질 외부 경련 병소를 갖고 있기 때문에, 이러한 방법의 민감도 및 특이도 가능성이 제한된다. 뇌파는 (EEG)를 TMS로 직접 뇌 반응을 측정 할 수있는 기회를 제공하고, 신피질의 넓은 영역에 걸쳐 대뇌 반응성을 평가하기 위해 사용될 수있다. EEG (TMS-EEG)와 TMS 통합 연구 TMS는 피질 9,10에 걸쳐 반향과 재현성과 11 ~ 13 신뢰할 수있는 활동의 파도를 생산하는 것으로 나타났습니다. 유발 된 활성의 전파를 평가하여다른 행동 상태에서 다른 작업에, TMS-EEG는 인과 적 인간의 뇌 네트워크 10,14-16의 동적 효과적인 연결을 검사하는 데 사용되었습니다. TMS-EEG 측정은 정신 분열증 (17)에서 ADHD (18)에 이르기까지 다양한 질환에 중요한 이상을 보여, 이러한 식물 인간 (19)와 같은 의식의 장애에있다. 또한, 여러 그룹이 한 쌍의 펄스의 EEG의 상관 관계 간질 (20, 21) 환자에서 비정상 TMS-EMG 통계를 확인했다. 특히 관련성, 이전의 연구는 비정상적인 자극-유발 뇌파 활동이 간질 22-25 환자에서 볼 것을 제안했다. 뇌 회로를 평가하는 다른 수단은 휴식 상태의 기능적 연결성 MRI (RS-fcMRI), 혈중 산소 레벨이 시간이 지남에 따라 다른 뇌 영역 (26)로부터 종속 (BOLD) 신호의 상관 관계를 평가하는 기술로된다. 사용 연구RS-fcMRI는 인간의 뇌는 신경 정신 질환 RS-fcMRI (30)에 의해 식별 특정 대규모 분산 신경 네트워크 내에서 발생할 수, 상호 작용 영역 26 ~ 29의 별개의 네트워크로 구성되어 있음을 증명하고, 뇌 네트워크는 RS-를 통해 확인하는 것이 fcMRI은 종종 신경 정신 질병 상태 (31, 32)에 이상이 있습니다. 잠재적 인 임상 적용의 측면에서, RS-fcMRI 덜 주제 협력에 대한 의존도 및 가변 성능에 대한 우려를 포함하여 기존의 작업 기반의 fMRI 응용 프로그램 (33)에 비해 여러 가지 장점을 가지고있다. 따라서, 최근에 다른 질병 상태에서 RS-fcMRI 변화를 탐구하는 연구의 폭발이 있었다. 그러나, RS-fcMRI의 제한 중 하나가 있는지 여부를 어떻게 BOLD 신호의 상관성 (또는 anticorrelations)은 신경 전달의 기초를 형성하는 전기 생리 학적 작용에 관한 판단에 어려움이있다. 이와 관련된 문제는 ofte 있다는n은 다양한 질병 상태에서 볼 수있는 RS-fcMRI 변화는 생리 학적 의미가 불분명 여부. 간질에 관해서 특히, RS-fcMRI에 이상이 단독으로 간기 간질 과도로 인해, 또는 독립적으로 같은 전기 생리 이상의 존재 여부 불분명하다; 동시 EEG-의 fMRI는 이러한 가능성 (34) 사이에 평가하는 데 도움이 필요합니다. TMS는 다양한 피질 영역의 활성화 일시적인 또는 지속적인 변화를 생성하는데 이용 될 수있는 바와 같이, TMS 연구 인과 다른 휴식 상태의 fMRI 연결 패턴의 중요성을 평가하는 수단을 제공한다. 한 가지 방법은 다른 질병 상태의 치료 자극 노력을 안내하는 RS-fcMRI를 사용하는 것입니다; TMS가 기능적으로 다양한 질환 상태에서 같은 능없이 영역 타겟팅 TMS보다 치료 효과가 더 쉽다 관여하는 것으로 알려진 영역에 연결되어있는 영역을 타겟으로 할 수 있다는 예상최종 연결, 실제로 여러 연구는이 35, 36에 대한 예비 증거를 발견했다. 또 다른 방법은 인과 다른 휴식 상태 fcMRI 패턴의 생리적 중요성을 평가하기 위해 TMS-EEG를 사용하여 관련된 것이다. 구체적으로, 하나는 특정 질환 상태 이상 기능적 연결성 표시 영역이 정상인에 비해 환자의 자극에 대한 다른 반응을 표시한다 가설을 검증하고, 이러한 생리적 이상이 비정상적 자극 특별히 (또는 주로) 존재한다고 할 접속 지역. 위의 내용을 설명하기 위해, 우리는 인해 발달 뇌 이상 뇌실 주위 결절 헤테로 토피아 (PNH) (37)에 RS-fcMRI, TMS 및 EEG가 간질 환자의 대뇌 피질의 hyperexcitability을 탐구하기 위해 결합 된에 최근 연구의 예를 제공합니다. adolescent- 또는 성인 발병 간질 임상 본 PNH, 읽기 장애, 정상 INTE 환자lligence, 그리고 38, 39을 뇌 영상의 좌우 심실에 인접한 회색 물질의 비정상적인 혹이있다. 이전의 연구 이소성 회색 물질이 뇌실 주위 결절이 구조적 및 기능적으로 신피질 40, 41에 이산 초점에 연결되어 있다는 것을 보여 주었다, 그리고 간질 발작에 그 epileptogenesis을 제안, 신피질 지역, 이소성 회색 물질, 또는 두 가지 모두를 동시에 (42)에서 발생 할 수 있습니다 이들 환자는 회로 현상이다. TMS-EEG을 안내하는 휴식 상태 FC-MRI를 사용하여, 우리는 때문에 PNH 활성 간질 환자는 대뇌 피질의 hyperexcitability의 증거를 가지고,이 hyperexcitability 깊은 결절에 비정상적인 기능 연결로 지역에 한정되는 나타나는지 보여 주었다. 이 프로토콜은 두 개의 세션에서 수행된다. 첫 번째 세션 동안, 구조 및 휴식 상태의 혈액 산소 수준 종속 (BOLD) 대비 MRI 시퀀스는 취득(환자) 또는 (건강 컨트롤) 단지 구조 MRI 시퀀스. 제 1 및 제 2 세션 사이, 휴식 상태의 기능적 연결성 분석은 환자의 대뇌 피질의 대상을 정의하는 데 사용되며, 이들 타겟 얻어지는 대한 MNI 좌표. (MNI 좌표 기준)에 해당하는 대뇌 피질의 대상은 다음 각 건강 관리 주제를 식별된다. 두 번째 세션에서, TMS-EEG 데이터가 얻어진다. 이 문서에 나와있는 예에서, 기능-연결 MRI 분석은 사내 소프트웨어 도구 상자와 MRI 소프트웨어 43, 44를 사용하여 수행 하였다. 신경 탐색 TMS 실시간 MRI의 neuronavigation 가진 두개 자기 자극기를 수행 하였다. EEG는 TMS에 의해 증폭기의 포화를 방지하기위한 샘플 및 홀드 회로를 이용하여 60 채널 TMS 호환 시스템으로 기록 하였다. EEG 데이터는 MATLAB R201에서 실행되는 사용자 지정 스크립트와 EEGLAB 도구 상자 (45) (버전 12.0.2.4b)를 사용하여 분석 하였다도 2b.

<table><tbody><tr><td>3T MRI 스캐너</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MRI 기능 연결 소프트웨어</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MRI 이미지보기 소프트웨어</td><td></td><td></td><td>MRICron</td></tr><tr><td>Transcranial Magnetic Stimulator</td><td>Nexstim</td><td>eXimia Stimulator</td><td>다른 공급 업체의 자극기를 사용할 수 있습니다 예 : , Magventure, Magstim</td></tr><tr><td>MRI 신경 항법 시스템</td><td>Nexstim</td><td>NBS v3.2.1</td><td>대체 MRI 신경 항법 시스템, eg , Brainsight, Localite</td></tr><tr><td>TMS 호환 EEG 시스템</td><td>Nexstim</td><td>Eximia EEG</td><td>대안 : Brain Products, Synamps, ANT</td></tr><tr><td>Matlab</td><td>Mathworks</td><td>R2012b</td><td>대안 : Octave</td></tr><tr><td>EEGLab</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>최소 표준 추정치 (MNE) 소프트웨어</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>프리서퍼</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

간질 환자의 뇌 흥분을 연결 관련 평가하는 멀티 모달 imaging- 및 자극 기반 방법

A Multimodal Imaging- and Stimulation-based Method of Evaluating Connectivity-related Brain Excitability in Patients with Epilepsy

휴지 상태 기능적 연결성 MRI(rs-fcMRI)는 혈액 산소 수준 의존 신호에서 시간 경과에 따른 상관 관계를 기반으로 서로 다른 뇌 영역 간의 연결을 식별하는 기술입니다. rs-fcMRI는 다양한 신경 및 정신 질환에서 뇌 연결의 이상을 확인하기 위해 광범위하게 적용되었습니다. 그러나 rs-fcMRI 연결성 이상, 뇌 전기생리학 및 질병 상태 간의 관계는 알려져 있지 않은데, 이는 부분적으로 질병 병태생리학에서 기능적 연결성 변화의 인과적 중요성이 확립되지 않았기 때문입니다. 경두개 자기 자극(Transcranial Magnetic Stimulation, TMS)은 전자기 유도를 사용하여 피질 활동의 초점 변화를 비침습적으로 생성하는 기술입니다. 뇌파검사(EEG)와 결합하면 TMS를 사용하여 외부 섭동에 대한 뇌의 반응을 평가할 수 있습니다. 여기에서는 신경정신질환 환자의 기능적 연결성 변화의 생리학적 중요성을 평가하기 위해 rs-fcMRI, TMS 및 EEG를 결합하는 프로토콜을 제공합니다. 우리는 피질 발달의 기형으로 인한 간질 환자의 비정상적인 연결성이 있는 영역을 식별하기 위해 rs-fcMRI를 사용한 이전에 발표된 연구의 대표적인 결과를 제공합니다. 간질 환자에 대한 자극은 일치하는 건강한 대조군 환자의 동일한 부위에 대한 자극에 비해 비정상적인 TMS 유발 EEG 활성을 초래했으며, TMS 유발 전위의 후기 구성 요소가 비정상적으로 증가했으며, 이는 피질 과흥분성과 일치했다. 이 이상은 비정상적인 휴지 상태 기능 연결이 있는 영역에만 국한되었습니다. 이전에 발작이 기록된 피험자에 대한 전기 소스 분석은 비정상적인 TMS 유발 활동의 기원이 발작 시작 영역과 공동 국한되어 간질 회로의 존재를 시사하는 것으로 나타났습니다. 이러한 결과는 rs-fcMRI, TMS 및 EEG를 함께 활용하여 인간 질병에서 비정상적인 뇌 연결의 생리학적 중요성을 식별하고 이해하는 방법을 보여줍니다.

휴식 상태의 기능적 연결성의 fMRI는 연결없이 이소성 뇌실 주위 회색질 노쥴 높은 기능적 연결성을 보여 피질의 영역 (도 1), 및 제어 영역을 식별하기 위해 사용될 수있다. 이러한 비정상적인 기능 연결이 생리 학적 의미가 있는지 여부를 확인하려면, 상관 휴식 상태의 활동이 대뇌 피질의 영역은 제어의 자극에 의해 생성 된 뇌파 전위에 비해 neuronavigated TMS의 &quot;연결&quot;대상 사이트 및 유발 된 EEG 결과로 선정 될 수있다 동일한 환자의 비 연결된 대상. 또한, 같은 영역은 PNH 환자에서 볼 수있는 비정상적인 기능 연결이 환자의 임상 간질 증후군의 병태 생리 학적 의미가 있는지 여부를 확인하기 위해 건강한 대조군 (그림 2)에 타겟팅 할 수 있습니다. 대뇌 피질의 hyperex의 구체적 존재citability은 세계 평균 필드 전위의 정규화 영역 언더 - 더 - 커브를 결정하...

Resting-state functional-connectivity MRI는 피질 발달의 기형으로 인한 간질을 포함한 광범위한 신경 정신 질환을 가진 환자의 이상을 확인했습니다. EEG와 함께 경두개 자기 자극법은 간질 환자가 비정상적인 연결성을 가진 영역에서 피질 과흥분성을 가지고 있음을 입증할 수 있습니다.

간질 환자의 뇌 흥분을 연결 관련 평가하는 멀티 모달 Imaging- 및 자극 기반 방법

Resting-state functional connectivity MRI (rs-fcMRI) is a technique that identifies connectivity between different brain regions based on correlations ...

이 실험의 전반적인 목표는 휴지 상태의 기능적 연결성, MRI 유도, 경두개 자기 자극을 동시 EEG 기록과 함께 사용하여 간질 환자의 국소 피질 과흥분성을 평가하는 것입니다. 이 방법은 간질 및 신경 생리학 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있으며, 예를 들어 간질 환자가 간질 네트워크의 일부로 여겨지는 영역에서 과흥분성의 증거가 있는지 여부와 같은 것입니다. 이 기술의 주요 장점은 연결성의 함수로서 대뇌 흥분성의 차이를 평가하는 데 사용할 수 있고 다양한 뇌 영역에 걸친 피질 반응을 평가하는 데 사용할 수 있다는 것입니다.이 기술은 일상적인 EEG가 정상인 경우에도 피질 과흥분성을 확인할 수 있고 간질 회로를 치료적으로 표적으로 삼을 수 있기 때문에 간질의 진단 및 치료에 영향을 미칩니다. 이 절차를 시연하는 사람은 제 연구실의 연구 조교인 Tamara Gedankian입니다. 테스트하기 전에 각 피험자의 기능적 연결성 맵을 각 피험자의 구조 이미지에 중첩하여 두 개의 TMS 대상 영역을 결정합니다.실험 세션을 시작하기 위해, 피험자를 실험실로 데려와 의자에 앉히세요. 피험자의 머리를 측정하고, 낮은 전극 임피던스를 가능하게 하는 적절한 크기의 뇌파 검사 또는 EEG 캡을 선택합니다. 다음으로, 면봉 어플리케이터와 알코올을 사용하여 각 전극 아래의 피부를 철저히 청소합니다.각 전극에 전도성 젤을 추가하고 전극을 눌러 두피, 젤 및 전극이 잘 접촉되도록 합니다. 충전 아티팩트를 최소화하려면 젤이 전극 홀더 외부로 퍼지지 않도록 하십시오. 기준 전극과 접지 전극을 이마에 놓고 자극 코일에서 가능한 한 멀리 떨어뜨려 TMS 유도 전극 아티팩트가 전체 녹음을 오염시킬 가능성을 최소화합니다.이러한 전극을 서로 몇 센티미터 이내에 배치하여 공통 모드 노이즈를 최소화하십시오. 그런 다음 EEG 시스템의 측정 임피던스 버튼을 누릅니다. EEG 출력 케이블을 EEG 기록 시스템의 임피던스 잭에 연결하여 전극 임피던스를 확인하십시오.전극 임피던스가 5km보다 크지 않은지 확인하십시오. 다음으로, 반대쪽 손에 근전도 전극을 준비합니다. 청력 손실과 이명의 위험을 최소화하기 위해 피험자에게 귀마개를 제공하십시오.그런 다음 적외선 감지기를 피험자의 머리에 놓고 실험 세션 중 이동 위험을 최소화하는 방식으로 감지기를 배치합니다. 신경 항법 장비에 포함된 포인터를 사용하여 피험자에서 미리 선택된 외부 해부학적 기준 마커의

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연구

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Medicine

의학

이 비디오에서는 전기 신호를 측정하기 위해 MEA(Multi-Electrode Array)를 사용하여 ACC(anterior cingulate cortex) 및 시상 영역을 포함하는 뇌 절편에 대한 경두개 직류 자극(tDCS)의 영향을 조사합니다. 이 연구는 전기 펄스를 전달하고 발작 유발 약물을 주입함으로써 발작에 대한 ACC 반응을 조사합니다.

발작 유도 물질에 대한 반응으로 multi-electrode array를 사용한 뇌 피질 모니터링

출처: 파파델리스, C.,  외, 소아 간질의 바이오마커로서 동시 자기뇌파 및 뇌파검사로 감지된 Interictal 고주파 진동. J. Vis. 특급. (2016). 이 비디오는 뇌파검사(EEG) 및 자기뇌파검사(MEG) 기록을 사용하여 간극을 식별하는 방법을 보여줍니다. 간질 방전(IED) 및 고주파 진동(HFO)을 통해 뇌에서 발작이 발생하기 쉬운 부위를 찾습니다.

 발작이 발생하기 쉬운 뇌 영역을 식별하기 위한 동시 뇌파검사(Electroencephalography and Magnetoencephalography) 

출처: Shafi, M. M., et al. 간질 환자의 연결성 관련 뇌 흥분성을 평가하는 다중 모드 이미징 및 자극 기반 방법. J. Vis. 경험. (2016년)이 비디오는 간질 환자의 신경 흥분성을 평가하기 위해 경두개 자기 자극(TMS) 및 뇌파 검사(EEG)를 사용하는 절차를 보여줍니다. 사전 기록된 뇌 스캔으로 환자의 머리를 정렬하고, 기능적으로 연결된 피질 표적 위에 TMS 코일을 배치하고, 자극을 가하여 신경 회로를 활성화하는 단계를 자세히 설명합니다. 이 과정에는 운동 반응 추적, EEG 신호 기록, 뇌 활동을 건강한 대조군의 뇌 활동과 비교하여 과흥분성을 식별하고 발작 발병 영역을 국소화하는 것이 포함됩니다.

경두개 자기 자극 및 뇌파 검사를 통한 뇌 과흥분성 평가

두개의 전극 이식 환자는 환자가 행동 작업을 수행하는 동안 뇌의 여러 영역에서 신경 학적 데이터를 기록 할 수있는 독특한 기회를 제공한다. 여기서, 우리는이 환자 집단에 대한 액세스, 다른 기관에서 재현 할 수 이식 환자에서의 기록 방법을 제시한다.

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정위 뇌파를 사용하여 깊은 피질의 기능 및 피질 하 구조 조사 : 전방에 cingulate 피질 수업

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녹음 및 Microelectrode 배열에 결합 하는 설치류 뇌 조각에 Epileptiform 활동의 변조

이 기사에서는 임상 및 연구 환경 모두에서 사용할 수 있는 동시 뇌파도 및 기능적 자기 공명 영상(EEG-fMRI) 기록 절차에 대해 자세히 설명합니다. 임상 검토를 위해 영상 아티팩트를 제거하기 위한 EEG 처리 절차도 포함됩니다. 이 연구는 간질 기간 동안 간질의 예에 초점을 맞춥니다.

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