侧前额叶皮质联合经颅磁刺激与脑电图的研究

Neuroscience

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Summary

这里提出的协议是利用 intracortical 兴奋性测试-重新测试设计范式的 TMS-脑电图研究。该议定书的目的是制定可靠和可重复的皮质兴奋性措施, 以评估与治疗干预措施有关的神经功能, 如严重抑郁症等精神疾病。

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Lioumis, P., Zomorrodi, R., Hadas, I., Daskalakis, Z. J., Blumberger, D. M. Combined Transcranial Magnetic Stimulation and Electroencephalography of the Dorsolateral Prefrontal Cortex. J. Vis. Exp. (138), e57983, doi:10.3791/57983 (2018).

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Abstract

经颅磁刺激 (TMS) 是一种非侵入性的方法, 通过短暂的、时变的磁场脉冲, 在皮层产生神经激发。皮质激活或其调制的启动取决于皮质区神经元的背景活化、线圈的特征、其位置和朝向。TMS 结合同时 electrocephalography (eeg) 和神经导航 (nTMS 脑电图), 可以对皮质皮质兴奋性和连通性的几乎所有皮层区域的可重现的方式进行评估。这一进步使 nTMS 脑电图成为一种强有力的工具, 能够准确地评估临床试验所需的测试复测范式中的大脑动力学和神经生理学。这种方法的局限性包括包含初始脑反应刺激的工件。因此, 删除工件的过程也可以提取有价值的信息。此外, 侧前额 (DLPFC) 刺激的最佳参数还不完全知道, 目前的协议利用运动皮层 (M1) 刺激范式的变化。然而, 进化的 nTMS-EEG 设计希望能够解决这些问题。这里提出的议定书介绍了一些标准的做法, 以评估神经功能从刺激到 DLPFC, 可适用于治疗精神障碍患者接受治疗, 如经颅直接电流刺激 (tDCS), 反复经颅磁刺激 (rTMS), 磁性癫痫治疗 (MST) 或抽搐治疗 (ECT)。

Introduction

经颅磁刺激 (TMS) 是一种神经工具, 它允许非侵入性评估皮质神经元活动通过使用快速, 时变磁场脉冲1。这些磁场脉冲在线圈下方的表面皮层产生弱电流, 导致膜退极化。随后的皮质激活或调制直接关系到线圈的特点, 其角度和方向的头骨2。从线圈中排出的脉冲波形和神经元的底层状态也影响皮层激活3

TMS 通过唤起行为或运动反应或通过中断与任务相关的处理来评估皮质功能。皮质-脊柱过程的兴奋性可以通过记录肌 (肌电图) 的反应, 从单一的 TMS 脉冲的运动皮层, 而 intracortical 兴奋 (intracortical 促进;ICF) 和抑制机制 (短和长的 intracortical 抑制;SICI 和 LICI) 可以用配对脉冲 TMS 进行探测。重复的 TMS 可以扰乱各种认知过程, 但主要是作为治疗工具的各种精神疾病。此外, tms 与同时脑电图 (tms 脑电图) 的结合可用于评估皮质皮质兴奋性和连接度4。最后, 如果对 TMS 的管理是用神经导航 (nTMS) 提供的, 它将允许精确的测试复测范式, 因为可以记录刺激的确切地点。大多数皮质地幔可以被靶向和刺激 (包括那些不产生可测量的物理或行为反应的区域), 从而可以在功能上映射皮层。

从单或配对脉冲 TMS 诱发的脑电图信号可以促进评估皮质皮质连接5和目前的大脑状态。TMS 引起的电流导致动作电位, 可以激活突触。突触后电流的分布可以通过脑电图6记录。eeg 信号可以用来量化和定位突触电流分布通过偶极模型7或最小范数估计8, 当多通道脑电图被使用, 并与电导率结构的头部占。结合 TMS-脑电图可用于研究皮质抑制过程9, 振荡10, 皮质皮质11和大脑纵裂相互作用12, 皮质可塑性13。最重要的是, TMS-脑电图可以探测在认知或运动任务中的兴奋性变化, 具有良好的测试复验可靠性14,15。重要的是, TMS-EEG 有可能确定神经信号, 可能作为反应的预测因素的治疗干预 (rTMS 或药理作用) 在测试复验设计16,17

基于无框立体定向的原理, 对 TMS 的神经导航原理进行了研究。系统使用一个光学跟踪系统18 , 它采用了一个发光摄像头, 与连接到头部的光反射光学元件 (通过参考跟踪器) 和 TMS 线圈进行通信。在数字化参考工具或钢笔的帮助下, 神经导航允许在3维 MRI 模型上进行线圈定位。使用神经导航方便捕获的线圈方向, 位置和对准对象的头部, 以及数字化的脑电图电极位置。这些功能是测试重新检测设计实验和准确刺激侧前额叶皮质内特定位置的关键。

为了在测试复验实验中使用 TMS-EEG 协议, 需要对皮层区域进行准确的靶向和一致的刺激, 以获得可靠的信号。脑电记录可能容易受到不同的工件的影响。在脑电图电极上的 TMS 诱发的伪影可以用放大器过滤, 在延迟1920或与不能饱和21的放大器后恢复。然而, 其他类型的伪影产生的眼球运动或眨眼, 颅内肌肉激活接近脑电图电极, 随机电极运动和他们的极化, 并通过线圈点击或躯体感觉必须考虑。仔细的主题准备, 确保电极阻抗低于 5 kΩ, 固定线圈在电极和泡沫之间的线圈和电极, 以减少振动 (或间隔消除低频工件22), 耳塞, 甚至听觉掩蔽应用于最小化这些文物23。这里提出的协议介绍了一个标准的过程, 以评估神经功能时, 刺激是应用在侧前额 (DLPFC)。重点是在 M19,15,16的研究中证实的共同配对脉冲范式。

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Protocol

在《赫尔辛基宣言》的指导方针下, 我们当地道德委员会批准了这里提出的所有实验程序。

1. Neuronavigated 脑电图的头部注册

  1. 为每个参与者获得高分辨率的全头 T1-weighted 结构 MRI。根据神经导航制造商指南进行扫描。
  2. 在导航系统上上传图像。检查是否正确扫描了核磁共振。选择基点 (耳前点, nasion 和鼻尖)。插入刺激目标 (基于解剖学或基于头部坐标、MNI 或 Talairach 坐标)。
  3. 放置头部跟踪器在这样的方式, 使它不会移动在刺激会话和允许自由移动的 TMS 线圈。让参与者在注册开始前插入耳塞。
  4. 将参与者的头部与3维 MRI 模型对齐。使用数字笔在 MRI 栈图像上选取的基点上触摸参与者的头部。选择和标记额外的点在顶叶, 颞和枕区的头部, 以减少注册错误, 在这些地区。
  5. 验证注册。将数字化笔放在参与者的头上。检查计算机上的表示形式。如果它不在 MR 的相应点上, 请重复步骤1.4。
  6. 校准使用的 TMS 线圈 (在某些系统中不需要此步骤)。
    1. 将跟踪器连接到线圈。
    2. 将线圈放在校准块上, 这样所有跟踪器都可以从照相机中看到。
    3. 按下计算机屏幕上的校准按钮, 将线圈保持在 5 s 的校准位置。

2. TMS 脑电图实验

  1. 将脑电图帽放在头上, 准备电极
    1. 选择一个适合头部的帽子。确保所有电极紧密接触头皮和功能。如果超过2个电极不工作, 则使用相同或较小尺寸的另一顶盖。
    2. 将直拉电极置于顶点, 在连接 nasion 和 inion 的线与 inion 上的兹电极之间进行一半的距离。
      注: 将垂直 (在眼睛的上方和下方对刺激的眼睛) 和/或水平电极 (左眼和右从右, 略高于每个颧骨骨) 为 electrooculography (EOG)。
    3. 调整注射器钝尖, 用导电凝胶填充。将尖端放在电极孔内, 然后轻轻按下柱塞法兰, 直到皮肤上有糊状。用钝尖的十字状动作轻轻擦洗头皮。确保粘贴不溢出在上面, 以避免桥接 (在电极之间的短路)。
  2. 放置肌电图电极。放置两个一次性圆盘电极 (直径约30毫米) 在右外展拇短肌 (通缉令) 的腹部肌腱蒙太奇。根据制造商的指导原则放置地面。
  3. 启动头部注册。按照步骤1.3–1.6。使用 DLPFC 的 MNI 或 Talairach 坐标。
  4. 热点和电机阈值。
    1. 添加海绵 (人造纤维的 polyutherane) 在线圈下, 以减少线圈振动的电极在 TMS 脉冲。请注意, 泡沫应该是大约10毫米厚。
    2. 指导参加者休息-舒适和轻松的手, 腿和脊柱。
    3. 找到热点。将马达旋钮24作为 M1 的初始标志, 并移动线圈直到有相应的通告运动。使用 TMS 强度唤起欧洲议会议员约500µV 的通告。通过改变角度和倾角来优化线圈方向, 从而在热点上唤起最大的响应。
    4. 节省神经导航软件中的线圈定位, 降低2–3% 步骤中的输出强度。给出10脉冲, 如果超过5的10的µV 响应超过50个, 然后继续降低强度。
    5. 当诱发的10反应中少于5时, 通过1–2% 的步骤增加强度。MT 代表的强度, 产生的欧洲议会议员大于50µV 5 10 倍25。MT 之间的刺激间隔 (ISI) 应长于1秒, 通常设置为3、4或5秒。
  5. 使用以下步骤调整强度:
    1. 从120% 的 MT 强度开始, 使欧洲议会议员超过 M1 从500到1500µV. 用这个刺激器的输出记录10个脉冲, 所以平均响应为 1 mV。增加或减少1–2% 步骤的强度, 直到达到平均 1 mV。
    2. 对于刺激强度, 选择强度作为刺激器输出的百分比, e., 110%, 120% 等.
    3. 在 V/米中找到相应的诱导场 (如果系统允许)。把线圈放在 DLPFC 上;调整刺激器的输出, 直到诱导场的计算与同一皮质深度的 M1 相同。
  6. 数字化脑电图电极, 使他们的位置注册到大脑解剖。
    注意: 这是一个非常重要的步骤, 用于定位神经元活化的分布和准确地重新定位电极在后续的会议。
  7. 记录 TMS-脑电图
    1. 更换耳塞与耳塞与空气管连接到音频掩蔽 (e., 白色噪音), 如果可用, 并添加耳机超过他们。仅在 TMS 脉冲传递期间播放音频掩蔽。
      注意: 此步骤可应用于步骤 2.4.2, 而无需播放音频掩蔽和小心, 这样头部跟踪器就不会移动。
    2. 在线圈架上安装线圈, 确保线圈不移动或按下电极。确保海绵在电极和线圈之间。
    3. 从参与者的视线中删除所有活动屏幕。指示参与者盯着一个固定点, 不要改变他/她的头部位置在 tms 交付, 而不是眨眼之间的 tms 脉冲。
    4. 关掉任何荧光灯。为每个参与者随机运行单个脉冲 TMS、SICI、ICF 和 LICI。给出100个单配对脉冲。使用 3–4 s (±20%) 的各种 ISI 或 3–5 s 的常量 (见注)。在每个条件之间给出3–5分钟的休息, 这样参与者就可以放松和伸展。
      注: SICI 和 ICF 涉及一个配对脉冲 TMS 范式与阈调节刺激 (CS) 和阈上测试刺激 (TS)。该协议中使用的 CS 是 80% MT 和 TS 的强度唤起 1 mV 峰到峰值26。用于最佳 SICI 的脉间间隔为2毫秒, ICF 在 12–1327。LICI 范式涉及一个超阈值 CS 的配对, 其强度唤起 1 mv 的峰值到峰值后再使用另一个阈上 TS 的强度, 诱发了 1 mV 机电峰值峰值, 并在一个跨脉冲间隔 100 ms. ISI 为单和配对脉冲范式是由刺激器的充电时间决定的 (我们的系统可以允许每4秒配对脉冲), 会话量 (更长的实验需要较小的 ISI, 以不覆盖参与者) 和分析是会发生。在这项研究中, 我们使用了恒定的 ISI 5 s 由于我们的刺激器的限制, 也因为我们需要几个周期的低频波段 (θ节奏) 的时间频率和功率谱分析。

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Representative Results

图 1一个健康志愿者在平均100个世纪以后 DLPFC 刺激在 F3 电极以后的 TMSevoked 潜力说明。在本例中, 我们在单独应用 ts 时, 突出显示 CS 对 ts 的影响。即使在一个主题中, CS 也会以清晰的方式调节 N100 偏转。在 SICI 和 LICI 会话中, 与 SP 条件16相比, N100 通常会增加, 并且在 ICF 中的绝对值会降低。在图 1B中, SP、SICI 和 ICF 范式的 N100 组件的地形分布已在双边上进行了本地化, 因为它已在许多以前的研究中显示过161728,29

Figure 1
图 1: 颅内皮质兴奋性脑电图测量.(A) DLPFC 刺激后, DLPFC ROI 电极对 TMS 诱发的脑电图反应的平均值。(B) 每届会议所有电极绘制地形的 N100 值。请单击此处查看此图的较大版本.

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Discussion

TMS-脑电图使大多数皮质区域的直接和无创刺激和获得的结果神经元活动具有很好的时空分辨率30, 特别是当神经导航被利用。这一方法的进步的好处是基于事实, TMS 诱发脑电图信号来源于电神经活动, 它是一个指标的皮质皮质兴奋性。这在神经精神病人的人群中具有巨大的潜力, 在那里, TMS 脑电图可以作为当前和未来治疗干预的标志物。

该协议最关键的步骤是电极的制备和刺激强度的测定。这是因为 tms-EEG 信号是易受 tms 工件, 不管是什么样的放大器使用31。电极应该非常仔细地准备, 因此他们不互相桥梁和他们的阻抗保持在 5 kΩ以下, 并且信噪比是高的。此外, 在线圈下调整的人工 polyutherane 纤维制成的海绵可以进一步减少机械压力和线圈点击声音通过骨骼传导的工件。

MT 决定了 TMS 强度;因此, 它应该精确地测量, 因为较高的强度将导致更大的工件和较少的焦刺激, 而较小的强度可能导致非常微弱的信号。因此, 应在神经导航的协助下发现电机热点, MT 估计与肌电信号记录 (50 µV 以下的噪音和肌肉完全放松)。然而, 人们不应该忘记, focality 和每个刺激的准确性来源于 TMS 脉冲32的形状和持续时间。

DLPFC 阈值的缺乏措施也表明, 强度应根据估计的感应电场23的振幅进行调整, 而不是基于刺激器的强度输出作为常规方法。这就要求, MT 强度需要估计在 V/米的特定皮层深度, 然后相同的深度和 V/米用于重新计算刺激器的输出强度 DLPFC 刺激。这是一个特别重要的问题, 对于未来的研究配对的脉冲协议, 如在这里提出, TS 总是在阈上强度。然而, 有必要在 DLPFC 刺激过程中, 从记录的 TEP33或振荡34中定义 DLPFC 强度, 就像最近研究 M1 通过皮质和非皮质脊髓束措施所建议的那样。

重要的是, DLPFC 刺激部位应根据 MNI 或 Talairach 坐标选择, 并插入到神经导航的 mri 上。左 DLPFC (-35, 45, 38) 的 MNI 坐标是根据临床结果和静止状态功能连接35的研究确定该站点为最佳的。线圈相对于方向和倾斜的定位是另一个重要的变量。有两种方法来接近线圈方向和倾斜: a) 45 度到中线与手柄指向的侧部的半球9和 b) 垂直于中间额沟与侧向内侧电流方向14。第一种通常在不存在导航的情况下应用, 而第二个则需要真实的 MRI 和导航, 并且它诱导了场的最大值。在开始录音之前, 微调线圈, 使它唤起最小的肌肉工件5 , 而不影响刺激生理反应需要执行 (线圈中心的1-2 毫米的小变化, 以及倾斜和方向微妙的变化)。

不同方向的比较需要做, 因为没有已知的研究, 已经检查了不同的线圈定位对 DLPFC 的影响。更重要的是, 需要一种方法来定义基于 EEG 测量的 DLPFC 热点, 类似于 M1 的热点是由肌电信号定义的。最后, 一个非常重要的方面是电极的定位和他们的位置的数字化。在测试复测设计中, 一旦将瓶盖放置在后续实验中, 电极就应该数字化。然后两个 digitizations (第一和 consequents 实验) 应该是可视化的 3D mri 模型或 mri 模板 (这可能是一个很好的可靠的解决方案时, 个别核磁共振无法获得)。然后, 如果需要的话, 帽子应该被移动, 所以在后续实验中, 电极的头骨定位与第一次测量的定位匹配。这将确保数据将获得从完全相同的位置的电极, 被刺激的完全相同的磁场。

在启动刺激之前, 应检查所选择的皮质部位是否通过线圈下的颅神经。因此, 应该记录一些 TMS-EEG 时代, 并评估工件。因此, 需要检查信号的振幅大于70µV 和非同步高频-低振幅振荡 (肌肉和颅神经工件)。消除这种工件可以通过精细和微妙的重新定位线圈或它的方向, 因为它已经在前面的研究36提出。最后, 在 tms-EEG 会话中, 应通过实时神经导航监视 tms 线圈, 并保持固定化。最好的方法是将其安装在三脚架上或机械臂上。这个解决方案还防止了用手压在电极上的线圈, 添加机械压力工件。由于 EEG 对 TMS 的反应对这些参数37的扰动非常敏感, 因此应立即纠正任何变化, 并将各自的纪元标记为坏, 并排除在数据分析之外。所有这些详细的建议都可以确保在单14和配对脉冲范式15以上的 DLPFC 测试复验可靠性。对这些重要细节的关注将确保数据具有反映与治疗干预有关的变化的最高机会。

像其他实验方法一样, TMS 的脑电图有其自身的局限性。主要的问题是各种各样的工件和事实, TMS 兼容脑电图放大器不能消除剩余的工件。颅骨肌肉的工件, 特别是当头部和侧面部位在头骨被刺激, 可以模糊和调节脑电图信号。这些工件可以比 TMS-EEG 信号更大, 通常持续较长, 因此它们可能会掩盖双程证。同样, 但只有在 DLPFC 等地区, TMS 可以唤起大眼睛闪烁的文物。此外, 许多其他工件, 如电极移动, 皮肤感觉和听觉激活由于 TMS 线圈点击可以使脑电图分析更加困难 (详情, 见以前的出版物31,38)。该领域的许多工作都是针对拒绝各种工件, 从而导致更可靠的时空定位的来源的大脑反应38,39,40,41,42. 然而, 人们不应忘记, 仔细准备的参与者, 设备的选择和准确的测量性能决定了原始的 TMS-脑电图数据的质量。

脑电图是一种强有力的工具, 以评估 intracortical 抑制和激发机制的刺激 DLPFC。通过改变几个参数, 它允许研究 gabaar (SICI)、gabaBr (LICI) 和 NMDAR (ICF) 介导的电路。通过药理学或电磁治疗干预对不同 TEP 成分进行调制可以作为识别抑制性和兴奋性神经传递、皮质可塑性和更多脑状态变化和条件的标志物。43. 除了 TEP, 通过时间频率和频谱分析, TMS 诱发的振荡活动可以评估上述电路10的自然或固有频率。电脑指数, 如电流源密度4适用于任何皮质区域, 可能有助于解开损伤脑回路中的可塑性机制, 在 DLPFC44

对这些范式的进一步药理验证研究在 DLPFC 是必要的。然而, 有巨大的潜力, TMS-脑电图被用来研究各种治疗干预的机制, 如调节治疗 (e., rTMS, ECT, MST) 或药理学的在健康的志愿者或在各种精神障碍9,15,16,17,45,46, 但也可供选择的干预或组合43。最重要的是, TMS-EEG 可以可靠地评估在干预之前和之后的大脑动力学, 因此有可能成为生物标志物。

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Disclosures

Pantelis Lioumis 是 Nexstim 有限公司 (芬兰赫尔辛基) 的有偿顾问, 在提交的工作 (如 2017年之前的马达和语音制图 rTMS 应用) 之外。礼 Zomorrodi 是 Vielight 公司咨询委员会 (加拿大多伦多) 的成员。Zafiris j. Daskalakis 接受加拿大卫生研究所 (卫生研究院)、美国国立卫生研究院 (NIH)、韦斯顿脑研究所、加拿大脑部和 Temerty 家族通过 CAMH 基金会和坎贝尔研究提供的研究支持。研究所。他获得了研究支持和实物设备支持, 为调查员发起的研究从 Brainsway 有限公司, 他是网站主要研究员为三赞助发起的研究 Brainsway 有限公司。他收到来自 Magventure 的实物设备支持, 为这个调查员发起的研究。丹尼尔 m. Blumberger 接受加拿大卫生研究所 (卫生研究院)、美国国立卫生研究院 (NIH)、韦斯顿脑研究所、加拿大脑科和 Temerty 家族的研究支持, 通过 CAMH 基金会和坎贝尔研究研究所。他获得了研究支持和实物设备支持, 为调查员发起的研究从 Brainsway 有限公司, 他是网站主要研究员为三赞助发起的研究 Brainsway 有限公司。他收到来自 Magventure 的实物设备支持, 为这个调查员发起的研究。他收到了 Indivior 的调查员发起的试验的药物供应。他参加了 Janssen 咨询委员会。

Acknowledgements

这项工作由镍氢 R01 MH112815 部分提供资金。这项工作还得到了 Temerty 家庭基金会、赠款家庭基金会和坎贝尔家庭心理健康研究所在成瘾和精神健康中心的支持。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
CED Micro1401-3 Cambridge Electronic Design Limited CED Micro1401-3 Digital Data Recocrder
BISTIM'2 Package Option 1 Magstim 3234-00 TMS paired pulse stimulator
Magstim 200'2 Unit (2 items) Magstim 3010-00 TMS stimulators
UI controller Magstim 3020-00 TMS controller
BISTIM'2 UI controller Magstim 3021-00 TMS controller
BISTIM connecting module Magstim 3330-00 TMS connecting module
D70 Alpha Coil - P/N 4150-00 (Alpha 70 mm double coil) Magstim 4150-00 TMS coil
Brainsight Rogue-Resolutions Brainsight 2 Neuronavigator
Model 2024F Intronix 2024F Electromyograph
Neuroscan SynAmps RT 64 channel System Compumedics Neuroscan 9032-0010-01 Electroencephalograph
Quick-Cap electrode system 64 Compumedics Neuroscan 96050255 EEG Cap

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References

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