تحفيز الدماغ المعتمد على الدولة الدماغ مع التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة في الوقت الحقيقي

Behavior
 

Summary

تصف هذه الورقة التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة الذي يتم تشغيله في الوقت الحقيقي لدراسة شبكات الدماغ البشري وتعديلها.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Stefanou, M. I., Baur, D., Belardinelli, P., Bergmann, T. O., Blum, C., Gordon, P. C., Nieminen, J. O., Zrenner, B., Ziemann, U., Zrenner, C. Brain State-dependent Brain Stimulation with Real-time Electroencephalography-Triggered Transcranial Magnetic Stimulation. J. Vis. Exp. (150), e59711, doi:10.3791/59711 (2019).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

تأثير التحفيز على الدماغ يعتمد ليس فقط على المعلمات من التحفيز ولكن أيضا على ديناميات نشاط الدماغ في وقت التحفيز. مزيج من تخطيط الدماغ الكهربائي (EEG) والتحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) في الوقت الحقيقي الدماغ تعتمد على الدولة نظام التحفيز يسمح بدراسة العلاقات ديناميات نشاط الدماغ، excitability القشرية، والحث اللدونة . هنا، نقوم بتوضيح طريقة تم تطويرها حديثًا لمزامنة توقيت تحفيز الدماغ مع مرحلة التذبذبات المستمرة في تخطيط كهربية الدماغ باستخدام نظام تحليل البيانات في الوقت الحقيقي. وقد أظهرت هذه TMS التي يتم تشغيلها في الوقت الحقيقي EEG من القشرة الحركية البشرية، عندما تتم مزامنة TMS مع السطح EEG الذروة السلبية للإيقاع sensorimotor μ-alpha (8-14 Hz)، إمكانية الاستئصال الكورتيكلبينسي التفاضلي ة وآثار اللدونة. استخدام هذه الطريقة يشير إلى أن المعلومات في الوقت الحقيقي حول حالة الدماغ الفورية يمكن استخدامها للتحريض اللدونة فعالة. بالإضافة إلى ذلك، يتيح هذا النهج تحفيز الدماغ المتزامن مع EEG الشخصية التي قد تؤدي إلى تطوير بروتوكولات تحفيز الدماغ العلاجية أكثر فعالية.

Introduction

TMS هو طريقة راسخة لتحفيز الدماغ غير الغازية وتمكن من التشكيل محددة من ديناميات الشبكة الجارية ودراسات الممرات العصبية القشرية والكورتيكيزالي مع دقة عالية spatiotemporal1. عند تحفيز القشرة الحركية الأولية (M1)، يمكن قياس الاستجابة العصبية كإمكانات المحرك (MEPs)، فضلا عن إمكانات تخطيط الدماغ التي تثيرها TMS. يمكن تسجيل أعضاء البرلمان من خلال التصوير الكهربائي (EMG) من العضلات المستهدفة، واتساعها يعكس استقانه الكورتيكوتبينالعند تحفيز القشرة الحركية الأولية2.

على الرغم من الإمكانات الفريدة لتحفيز الدماغ غير الغازية كأداة علمية للتحقيق وتعديل شبكات الدماغ في المشاركين في الدراسة الصحية وفي المرضى، ودراسات TMS تعاني من مرحلة كبيرة من التجربة إلى المحاكمة والتباين بين الأفراد من الردود التي أثيرت3،4،5. على وجه التحديد، في دراسات TMS من استحالة الكورتيكوستيبينال واللدونة، والاستجابات MEP، فضلا عن التقوية المستحثة على المدى الطويل (LTP) - أو الاكتئاب على المدى الطويل (LTD) مثل اللدونة، وتظهر تقلب كبير جوهري، حتى عندما المعلمات التحفيز يتم التحكم فيها بعناية3،4. ومع ذلك، تشير الأدلة المستقاة من الدراسات الحيوانية إلى أن التغير الملحوظ في الاستجابات لا يعزى إلى "الضوضاء العشوائية" بل يرتبط بدلاً من ذلك بتقلب حالات الدماغ في وقت التحفيز6. وبناء على ذلك، من خلال الجمع بين TMS مع تخطيط الدماغ في الوقت الحقيقي الدماغ الدولة تعتمد على نموذج التحفيز (أي، EEG التي تسببها TMS)، يمكن استخدام حالة الدماغ الفورية المتقلبة لتحسين توقيت التحفيز7،8، 9 , 10.

وقد ارتبطت العديد من الدراسات المرحلة الفورية من التذبذبات العصبية الجارية إلى الإثارة العصبية باستخدام أنظمة تخطيط الدماغ متوافقة مع TMS11،12. مكبرات الصوت EEG الحديثة يمكن التعامل مع القطع الأثرية TMS الكهرومغناطيسية الكبيرة، والبروتوكولات التجريبية راسخة على نحو متزايد موجودة للمزيج من تخطيط الدماغ مع TMS13،14 وإزالة ما بعد مخصص من تخطيط الدماغ TMS ذات الصلة TMS القطع الأثرية15،16. في حين أن تأثير حالة الدماغ prestimulus كما تقيمها EEG على الاستجابات التي تثيرها TMS يمكن تقييمها مع المحفزات TMS المطبقة عشوائيا التي يتم فرزها بعد مخصص17،18، التطبيق المتكرر لنظام إدارة التموجات في الدماغ محددة مسبقا الدولة يتطلب في الوقت الحقيقي EEG التي أثارها TMS11،19.

هنا، يتم استخدام إعداد TMS حسب الطلب بالتحليل EEG الذي يتم تشغيله لمزامنة نبضات TMS مع مرحلة محددة مسبقًا من التذبذبات الدماغية المستمرة11،مما يدل على أن انحراف تخطيط كهربية الدماغ السالب ة من إيقاع ألفا = أعلى حالة استحالة القشرية (مما يؤدي إلى سعة أكبر MEP) بالمقارنة معانحراف EEG إيجابية 8،11،12،20. في هذه المخطوطة، نقدم طريقة لإجراء بروتوكولات TMS التي يتم تشغيلها في الوقت الحقيقي لدراسة شبكات الدماغ البشري.

Protocol

وقد وافقت لجنة الأخلاقيات المؤسسية على جميع الإجراءات التجريبية الموصوفة في الفروع التالية وفقاً للمبادئ التوجيهية لإعلان هلسنكي، وقدم جميع المشاركين موافقة خطية مستنيرة قبل الالتحاق بالدراسة.

1. المشاركون في الدراسة

  1. تعيين الأفراد
    1. توظيف المشاركين في الدراسة على أساس معايير إدراج محددة مسبقاً. فحص المرشحين لموانع، مثل وجود الأجهزة الطبية المزروعة (على سبيل المثال، جهاز تنظيم ضربات القلب)، وفقا للمبادئ التوجيهية للسلامة TMS21،أو للأمراض العصبية أو النفسية واستخدام الأدوية التي تعمل على الجهاز العصبي.
    2. بالنسبة للدراسات التي تتطلب التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، قم بتقييم المشاركين المحتملين في الدراسة للاحتمالات المتعلقة بموانع التصوير بالرنين المغناطيسي وفقا لمعايير السلامة الإشعاعية22. إجراء تحليل للطاقة للتأكد من أن عينة الدراسة كافية للتحليل الإحصائي.
    3. اختياريا، حدد مسبقا المواضيع وجود تذبذب بارز من الاهتمام في إشارة المستخرجة من المونتاج EEG المختار من أجل تحسين دقة الكشف عن المرحلة.
      ملاحظة: في هذه التجربة، تم استخدام Laplacian C3 التي تركز عليها (C3 المشار إليها إلى متوسط الأقطاب الكهربائية المحيطة CP1، CP5، FC1، وFC5) لاستخراج sensorimotor μ-rhythm مع هذا الموضوع في بقية وعيون مفتوحة. تم اختيار هاذا الموضوع ينال من كُل ّ شيء في نطاق ألفا (8-14 هرتز) الذي يحتوي على >25% من إجمالي الطاقة في طيف الطاقة الحالي لكثافة المصدر (CSD). وكفل هذا المعيار أن تكون سعة التذبذب كبيرة بما فيه الكفاية بالمقارنة مع الضوضاء الخلفية (نسبة جيدة للإشارة إلى الضوضاء [SNR]) لتمكين الخوارزمية من تقدير المرحلة الفورية لإشارة الزناد بدقة كافية و زيادة احتمال ملاحظة تأثير كبير على الاستحالة11،12،28،29،30.
  2. معلومات الموضوع
    1. تزويد المواضيع باستمارة الموافقة المستنيرة المتعلقة بالدراسة. تقديم استبيانات فحص السلامة بتقنية TMS والتصوير بالرنين المغناطيسي المطبوعة.
      ملاحظة: وهذه الوثائق وبروتوكول الدراسة، فضلا عن استخدام البيانات الشخصية (من الاستبيانات مثلا) والبيانات البشرية التي يمكن تحديدها (من التصوير بالرنين المغناطيسي على سبيل المثال)، تحتاج إلى موافقة مسبقة من لجنة الأخلاقيات (مجلس الاستعراض المؤسسي).
    2. اطلب من الموضوع ملء استبيانات فحص السلامة TMS والتصوير بالرنين المغناطيسي. الحصول على موافقة خطية مستنيرة للمشاركة في الدراسة والاستخدام المخطط للبيانات.
    3. الحصول على البيانات الديموغرافية.
    4. تقييم تسليم الموضوع باستخدام قوائم الجرد القياسية (مثل جرد أدنبرة)23.
    5. تقديم الموضوع إلى الإعداد وإجراء التحفيز. تأكد من أن كل مشارك على دراية الإحساس TMS ويتسامح معها بشكل جيد.
    6. الحصول على التصوير بالرنين المغناطيسي لكل مشارك قبل الدورات التجريبية TMS. مطلوب كامل الرأس التصوير بالرنين المغناطيسي التشريحي، بما في ذلك الجزء العلوي من فروة الرأس والمعالم التشريحية (أي tragus من كلا الأذنين)، وهذه ستكون بمثابة نقاط fiducial للملاحة العصبية في الخطوات اللاحقة من هذا البروتوكول.
    7. جدولة الجلسات التجريبية وفقالمواصفات بروتوكول الدراسة (أي أن تأخذ في الاعتبار "فترات الغسل" بين التجارب).
      ملاحظة: ومن الناحية المثالية، ينبغي أن تأتي المواضيع في نفس الوقت وفي نفس اليوم من الأسبوع في بروتوكولات تقارن بين ظروف مختلفة في جلسات متعددة.
    8. إرشاد المشاركين إلى الامتناع عن استهلاك الكحول أو النيكوتين أو الكافيين قبل الجلسات التجريبية المقررة. وكان ينبغي أيضا أن يكون المواضيع نومهم العادية في الليلة السابقة للتجربة وعدم التعب بشكل غير عادي.

2. إعداد الإعداد

  1. في الوقت الحقيقي البيانات تيار تيار قادرة على تخطيط كهربية الدماغ
    1. استخدم مكبر صوت EEG/EMG متوافق مع TMS يمكنه التعامل مع المسامير الجهدية الناجمة عن نبض TMS.
      ملاحظة: يحتاج نظام مكبر الصوت إلى توفير دفق بيانات خام في زمن وصول منخفض ثابت (<5 مللي ثانية) للمعالجة اللاحقة بواسطة معالج في الوقت الحقيقي. في هذه التجربة، تم استخدام مكبر للصوت إشارة حيوية 24 بت 80 قناة لتسجيلات EEG وEMG.
    2. تكوين نظام مكبر للصوت EEG /EMG إلى مرشح تمرير منخفض (على سبيل المثال، 0.16 هرتز قطع)، وانخفاض عينة بيانات الإشارات الحيوية إلى 5 كيلوهرتز من معدل أخذ العينات في مرحلة رأس مكبر للصوت.
    3. تأكد من أن نظام مكبر للصوت يرسل حزم البيانات التي تحتوي على القنوات ذات الصلة عبر بروتوكول مخطط بيانات المستخدم في الوقت الحقيقي (UDP) إلى المعالج في الوقت الحقيقي على فترات ثابتة منتظمة ≤ 1ms. استخدام تردد أخذ عينات عالية (على سبيل المثال، kHz 5) لالتقاط استجابات فريق إدارة المخاطر البيئية وتقليل تأخير التصفية لبيانات تخطيط كهربية الدماغ.
  2. جهاز TMS متوافق مع EEG
    1. استخدام جهاز TMS التي يمكن تشغيلها خارجيا مع تأخير ثابت والحد الأدنى والذي يقلل من القطع الأثرية في تسجيل تخطيط كهربية الدماغ في وقت واحد (على سبيل المثال، خط الضوضاء في تخطيط الدماغ من خلال كابل لفائف TMS، إعادة شحن القطع الأثرية بعد النبض).
    2. تأكد من أن المسافة بين محفز TMS (بما في ذلك كابل لفائف ولفائف) ونظام تسجيل EEG يتم تعظيم للحد من التداخل الكهربائي (على الأقل 1 م). حيثما أمكن، قم بإيقاف تشغيل مصادر التداخل الكهرومغناطيسي مثل المراوح والمحركات. وعلاوة على ذلك، تأكد من وضع العملاء المتوقعين لتسجيل EEG وEMG ومواءمتها بحيث يلغي التدخل الشائع.
  3. نظام معالجة بيانات تخطيط كهربية الدماغ في الوقت الحقيقي
    ملاحظة: يتم الحصول على دفق بيانات EEG في الوقت الحقيقي وتحليله باستخدام نظام معالجة الإشارات الرقمية في الوقت الحقيقي، والذي يقوم بعد ذلك بتشغيل جهاز TMS عند استيفاء شرط محدد مسبقًا. وقد تم تطوير هذا النظام حسب الطلب في مختبرنا11 لتنفيذ خوارزمية الكشف عن المرحلة مماثلة للنهج الذي اتبعه Chen et al.24 ويتكون من الخطوات التالية.
    1. تحليل نافذة انزلاق من البيانات، 500 مللي ثانية طويلة (الشكل1a)،لتقدير المرحلة الفورية من التذبذب الدماغ الهدف إلى المرحلة على وجه التحديد الزناد محفز TMS.
    2. (ب) إجراء تصفية للإطار لترددات الاهتمام (على سبيل المثال، بين 9 و14 هرتز لإيقاع الإنسق الحركي ألفا؛ الشكل 1 (ب) النظر في ضبط معلمات التصفية إلى تردد الذروة الفردية للتذبذب المستهدف.
    3. إزالة أية بيانات مشوهة بواسطة تأثيرات حافة التصفية. لاحظ أن هناك مقايضة في أن المرشحات أقوى لها تأثيرات حافة أكبر.
    4. استخدام نموذج الإعادة إلى الأمام التنبؤ إشارة (يول ووكر، النظام 30. الشكل 1 (ج)
    5. تطبيق تحويل هيلبرت للنافذة الناتجة من البيانات لإنتاج إشارة تحليلية، والتي يتم تحديد المرحلة الفورية للإشارة من خلال أخذ زاوية العدد المعقد في النقطة الزمنية ذات الصلة.
    6. تقدير طيف طاقة تخطيط كهربية الدماغ من النافذة المنزلقة للبيانات في صناديق التردد ذات الفائدة (على سبيل المثال، 9-14 هرتز) باستخدام FFT قصير النوافذ من هان.
    7. عندما تفي كل من المرحلة والطاقة بمعيار محدد مسبقاً (على سبيل المثال، ذروة سالبة، الحد الأدنى لعتبة الطاقة)، توليد نبض إخراج رقمي (TTL) مع نظام الوقت الحقيقي لتشغيل جهاز TMS.
  4. نظام الملاحة العصبية
    1. لمراقبة موضع الملف وتحقيق استهداف TMS دقيق ومتسق داخل الجلسات وعبرها، استخدم نظام الملاحة العصبية.
      ملاحظة: يتم استخدام نظام كاميرا الأشعة تحت الحمراء ستيريو على وجه التحديد لتحديد موقع في تعقب الفضاء العاكسة ثلاثية الأبعاد، والتي شنت على رأس الموضوع ولفائف التحفيز، مما يتيح تحديد المواقع النسبية دقيقة من لفائف فيما يتعلق بدماغ الفرد التشريح بعد المعايرة وتسجيل التصوير بالرنين المغناطيسي. بالنسبة لدراسات الدورة الواحدة وعند التخطيط لتحليل EMG فقط وليس استجابات تخطيط كهربية الدماغ إلى TMS، فإن التنقل المستند إلى الدماغ القياسي بدلاً من التصوير بالرنين المغناطيسي الفردي يكفي.
    2. قم بتحميل بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلي الفردية في برنامج نظام الملاحة قبل بدء التجربة لكل مشارك.
  5. كمبيوتر التحكم التجريبي
    1. استخدم كمبيوتر تحكم تجريبي متصل بنظام EEG وجهاز TMS والجهاز في الوقت الحقيقي ونظام الملاحة العصبية.
      ملاحظة: يتحكم برنامج EEG في نظام مكبر صوت EEG، ويحدد المعلمات، ويبدأ يوقف أرشفة بيانات EEG. يمكن التحكم في جهاز TMS عن بعد لتغيير معلمات التحفيز (الكثافة، الاتجاه الحالي، وما إلى ذلك) مع مربع أدوات التحكم عن بعد25.
    2. التحكم عن بعد في الجهاز في الوقت الحقيقي لتعيين شروط الزناد المطلوبة.
      ملاحظة: يمكن التحكم في نظام الملاحة العصبية عن بعد، على سبيل المثال لاستهداف مواقع لفائف مختلفة.
    3. الجمع بين كل ما سبق في برنامج تحكم تجريبي لتمكين أتمتة الظروف التجريبية وتدفق التحكم.
  6. EEG تسجيل الأقطاب الكهربائية
    1. تأكد من توفر قبعات تسجيل EEG المتوافقة مع TMS مع تخطيط القطب المطلوب بأحجام مختلفة. قياس محيط رأس الموضوع وإعداد غطاء الحجم المناسب.
    2. الحفاظ على المواد المطلوبة لإعداد تخطيط الدماغ مفيد (على سبيل المثال، جلجل وموصل، والمحاقن مع الإبر الحادة المعقمة، وما إلى ذلك).
  7. أقطاب تسجيل EMG
    1. الحفاظ على السطح EMG الأقطاب الكهربائية، يؤدي، والمواد المطلوبة لإعداد الجلد جاهزة.

3. إجراء التجربة

  1. التصفيات
    1. التأكد من أن الأوراق المطلوبة في النظام (يتم التوقيع على استمارة الموافقة على الدراسة) وأن المشارك لم يكن له أي آثار سلبية منذ الدورة السابقة.
    2. ضع الموضوع في وضع مريح للتمدد لتقليل حركة الرأس أثناء التجربة. وسادة فراغ ملفوفة حول الرقبة وأسفل الرأس يمكن أن تساعد على دعم رأس المشارك دون التسبب في توتر العضلات إضافية (على سبيل المثال، مثل بقية الذقن تفعل).
  2. إعداد تخطيط كهربية الدماغ ومجموعة الـ EMG
    1. ضع غطاء تخطيط كهربية الدماغ بحجم مناسب على رأس الموضوع ووضع الغطاء بشكل صحيح. تجنب التوتر المفرط تحت الذقن للحد من نشاط عضلة الجمجمة والرقبة التي يمكن أن تلوث EEG26.
    2. تسجيل هذا الموضوع في برنامج تسجيل EEG.
    3. إعداد أقطاب تخطيط كهربية الدماغ وفقا لبروتوكول المختبر محددة (على سبيل المثال، تطبيق جل جل تليها هلام موصل).
    4. تحقق من أن معاوقات القطب EEG أقل من 5 كيلو وات.
    5. للحفاظ على هلام إجراء من التجفيف أو الحصول على لطخت إلى الأقطاب المجاورة من قبل أي حركة من لفائف TMS، وتغطي غطاء تخطيط الدماغ مع التفاف من البلاستيك. ثم، تناسب غطاء صافي فوق التفاف البلاستيك للحفاظ على الكابلات في موقف ثابت للحد من تقلب EEG وقطعة أثرية، وتطبيق شريط لاصق لزيادة استقرار طبقات متعددة.
    6. إرفاق الأقطاب الكهربائية EMG السطح على العضلات المستهدفة بعد تنظيف وabraded طفيفة الجلد (على سبيل المثال، استخدام تسجيل ثنائي القطب من العضلات اليد المخطوف الأيمن pollicis brevis في المونتاج وتر البطن).
      ملاحظة: هنا، تم استخدام تسجيل ثنائي القطب من العضلات اليد المخطوف الأيمن بوليسيس بريفيس في المونتاج وتر البطن. وضع أقطاب EMG مهم كما الأقطاب السطحية عموما تسجيل النشاط من العضلات الكامنة متعددة.
    7. تحقق من المطابقة الصحيحة بين أجهزة استشعار تخطيط كهربية الدماغ الفعلية على الرأس والآثار المسجلة في نظام تخطيط كهربية الدماغ عن طريق النقر على عدد قليل من أقطاب تخطيط كهربية الدماغ للتسبب في القطع الأثرية. كفحص التعقل، تحقق من أن ألفا القذالي يزيد عندما يغلق المشارك عيونهم.
    8. فحص بصريا إشارة تخطيط كهربية الدماغ وEMG الجارية للآثار الأثرية (على سبيل المثال، ضجيج الخط، نشاط العضلات) أو الأقطاب الكهربائية السيئة.
    9. تأكد من أن المشارك لا يزال مستيقظا وتبقي عيونهم مفتوحة طوال التجربة لتجنب التذبذبات ألفا القذالي تلوث الإشارة.
  3. إعداد الملاحة العصبية
    1. إرفاق تعقب الرأس العاكسة إلى رأس المشارك مع شريط لاصق بما فيه الكفاية لضمان الاستقرار طوال التجربة.
    2. استخدم أداة المؤشر لتسجيل نموذج الرأس مع المعالم التشريحية ذات الصلة (على سبيل المثال، الناسيون، وتراغي من كلتا الأذنين، وزوايا العينين).
    3. إرفاق تعقب لفائف إلى لفائف التحفيز ومعايرة لفائف.
    4. ضع المؤشر في نقاط مختلفة على سطح الرأس وتحقق من صحة الموضع المعروض على شاشة نظام الملاحة العصبية.
    5. حدد مواقع مستشعر EEG للتسجيل المشترك مع التصوير بالرنين المغناطيسي الفردي.
  4. تخطيط كهربية الدماغ للخط الأساسي
    1. إظهار القطع الأثرية التقليدية EEG لهذا الموضوع (على سبيل المثال، البلع، والمضغ، ووميض العين) وإرشاد الموضوع لتجنبها طوال التجربة. أيضا، اطلب منهم تجنب التعلق الفك، التثاؤب، أو الحديث.
    2. اطلب من الموضوع أن يثبت على نقطة مع فتح العينين وإجراء تسجيل قصير من EEG يستريح الدولة مع عيون مفتوحة.
    3. إذا لزم الأمر لحساب عوامل التصفية في الوقت الحقيقي، قم بتسجيل نشاط تخطيط كهربية الدماغ إضافية أثناء المهام.
  5. العثور على "نقطة ساخنة" المحرك وتحديد عتبة المحرك يستريح
    1. العثور على المحرك "نقطة ساخنة" (أي موقع التحفيز الذي نبض واحد TMS يثير أعضاء البرلمان على شكل جيد من السعة متسقة نسبيا عبر التجارب) وحفظ موقف لفائف المقابلة (بما في ذلك توجيه لفائف واقاق) في نظام الملاحة العصبية.
    2. العثور على عتبة المحرك يستريح (RMT) عن طريق تطبيق نبضات TMS واحدة على القشرة الحركية في زيادة كثافة التحفيز تدريجيا حتى أعضاء البرلمان من قبل الحصول على السعة من الذروة إلى الذروة أكبر من 50 درجة مئوية في أكثر من 50٪ من التجارب21.
    3. إذا كان متوفراً، استخدم برنامج نصي تلقائي لتقدير المعلمات عن طريق الاختبار المتسلسل (PEST)، على سبيل المثال، باتباع استراتيجية الاحتمال القصوى27 التي توفر أيضًا تقديرًا على الإنترنت لفاصل الثقة لـ RMT استنادًا إلى الـ تباين الاستجابات الفردية والتي تتطلب عادة ً نبضات اختبار ية 30 ذات شدة متفاوتة متكيفة للحصول على تقدير قوي لـ RMT.
    4. إذا لم تكن هذه هي الدورة التجريبية الأولى، قارن موضع الملف مع الموقف السابق وقارن RMT التي تم الحصول عليها مع RMT السابقة للتحقق من الاتساق.
    5. إذا لزم الأمر، حدد كثافة التحفيز لعتبة المحرك النشط (AMT) أو لسعة MEP من الذروة إلى الذروة 1 mV باستخدام الإجراءات القياسية21.
  6. الإعداد النهائي للمشاركين
    1. اختياريا، تعطيل رأس الموضوع باستخدام وسادة فراغ.
    2. اختياريًا، قم بتوصيل الضوضاء التخفي من خلال سدادات الأذن (عند التخطيط لتحليل إمكانات تخطيط كهربية الدماغ التي تثيرها TMS). خلاف ذلك، قم بتزويد الموضوع بسدادات الأذن وسماعات الرأس لحماية السمع.
    3. اختياريا، محاذاة وإصلاح لفائف في الموقف المطلوب باستخدام ذراع ميكانيكية.
  7. التحقق من جودة البيانات قبل التجربة
    1. تحقق من أن المعالج في الوقت الحقيقي يتلقى بيانات من نظام EEG.
    2. تحقق من الإشارة التي تم الحصول عليها من المرشح المكاني EEG المطلوب (على سبيل المثال، C3 التي تركز على المونتاج Laplacian) للحصول على القطع الأثرية واضحة.
    3. تأكيد بصريا جودة إشارة تخطيط الدماغ، والتحقق من الأقطاب الكهربائية السيئة، والضوضاء الخط المفرط، والقطع الأثرية العضلات، وضبط الإطار الزمني والسعة التحجيم على برنامج نظام تخطيط الدماغ للتفتيش البصري المستمر خلال التجربة.
  8. الدورة التجريبية الرئيسية
    1. ما لم يتم التحكم عن بعد في كثافة التحفيز في البرنامج التجريبي، يدويا تعيين كثافة التحفيز إلى القيمة المطلوبة (على سبيل المثال، 110٪ من RMT).
    2. بدء البرنامج النصي التجريبي لتطبيق النبضات في مراحل مختلفة من التذبذب الهدف في ترتيب معشاة.
    3. أثناء التجربة، مراقبة عتبات حالة الزناد (عتبة الكشف عن القطعة الأثرية، عتبة ما قبل التداخلي، الحد الأدنى من الطاقة، وما إلى ذلك).
      ملاحظة: سيتم تشغيل المحفزات على فترات غير منتظمة، حيث ينتظر المعالج في الوقت الحقيقي حدوث ظروف الزناد. ومع ذلك، ينبغي تحديد الظروف بحيث تحدث معظم المحفزات في غضون فترة زمنية يمكن التنبؤ بها (على سبيل المثال، 2-3 ثانية بعد النبض السابق)، ويتم تجنب التوقفات الطويلة (على سبيل المثال، في هذه الحالة، >5 ق) لأن هذه الاستجابات من شأنها أن تؤدي إلى استجابات أكبر أثار بسبب الجدة.
      1. بدلاً من ذلك، استخدم تقسيم المقررات بعد مخصص لإزالة التجارب بعد فترات طويلة بشكل مفرط.
    4. لتحقيق قوة إحصائية كافية للتمييز بين آثار التحفيز الخاصة بالمرحلة، الحصول على عدد كاف من التجارب
      ملاحظة: اخترنا عادة 80-120 المحاكمات المتداخلة لكل شرط20.
    5. توثيق أوقات البدء والانتهاء من جلسات العمل المختلفة والاحتفاظ بسجل لأي تواجدات غير عادية.

Representative Results

الاستفادة من TMS EEG في الوقت الحقيقي التي أثارها في القشرة الحركية الأولية البشرية يكشف عن الإثارة الكورتيكوستيبينال التفاضلية وآثار اللدونة. باستخدام البروتوكول الموضح أعلاه، تم تطبيق EEG-TMS في الوقت الحقيقي، وتزامن TMS مع المرحلة المذبذبة EEG الجارية من الحسية الذاتية - إيقاع في ثلاثة ظروف الزناد (الذروة الإيجابية، الذروة السلبية، ومرحلة عشوائية) في ترتيب عشوائي . تم استخدام المونتاج تخطيط كهربية الدماغ Laplacian لاستخراج sensorimotor - إيقاع عن طريق الرجوع إلى القطب EEG C3 إلى متوسط أربعة أقطاب المحيطة (FC1، FC5، CP1، وCP5). ويبين الشكل 2أ متوسط إشارة تخطيط كهربية الدماغ قبل التحفيز في 400 مللي ثانية قبل نبض نظام إدارة التّسصال في الحالات الثلاثة المحددة مسبقاً. المتوسط الذي أثاره أعضاء البرلمان من عضلات اليد اليمنى هو موضح في الشكل 2ب. وتظهر هذه النتائج أن انحراف تخطيط كهربية الدماغ السلبي ة من إيقاع μ يتوافق مع حالة استحالة القشرية أعلى (مما يؤدي إلى سعة أكبر MEP) بالمقارنة مع انحراف تخطيط الدماغ الإيجابي، مع انخفاض التباين بين التجارب من الكورتيكوسية الكورتيكوسفية ملحوظ آثار الإثارة، المعروضة في الشكل 2ج.

Figure 1
الشكل 1 : الدماغ الدولة تعتمد على تخطيط الدماغ المرحلة التي أثارها TMS. تم الحصول على البيانات الخام EEG فروة الرأس المستمدة من المونتاج Laplacian قناة خمسة تركز على القطب C3 على القشرة الحسية اليسرى عينة عن طريق عينة من قبل نظام معالجة الإشارات الرقمية في الوقت الحقيقي. (أ) تمت معالجة نافذة انزلاقية 500 مللي ثانية من بيانات تخطيط كهربية الدماغ بواسطة الخوارزمية كل 2 مللي ثانية (ب)الإشارة بعد تصفية تمرير النطاق وإزالة القطع الأثرية الحافة. (ج) الإشارة المستقبلية (التتبع الأحمر) استناداً إلى نموذج التنبؤ التلقائي الذي تم حسابه من نافذة البيانات. وقدرت المرحلة في الوقت صفر ("الآن") باستخدام تحويل هيلبرت، وقدرت القدرة الطيفية من نافذة البيانات. وقد تم تشغيل محفز TMS عند استيفاء مرحلة محددة مسبقًا وحالة السعة الطيفية. TMS على القشرة الحركية الأولية اليسرى أدى إلى أعضاء البرلمان في عضلات اليد اليمنى المسجلة مع EMG السطح. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: بيانات من موضوع واحد مثالي الذي تلقى في الوقت الحقيقي EEG أثار TMS على اليسار M 1 ، واستهداف مرحلة 10 هرتز الحسية مزيّنة - إيقاع. تم تطبيق مائة حافز لكل منها وفقاً لثلاثة شروط للتشغيل على مراحل (الذروة الإيجابية، والذروة السلبية، والمرحلة العشوائية) بالاقتران مع حالة عتبة قوة طيفية لا تقل عن 10 هرتز، بترتيب معشاة، مع فاصل زمني بين التجارب حوالي 3 s. تم استخدام المونتاج تخطيط كهربية الدماغ Laplacian لاستخراج sensorimotor - إيقاع عن طريق الرجوع إلى القطب EEG C3 إلى متوسط أربعة أقطاب المحيطة (FC1، FC5، CP1، وCP5). (أ) متوسط إشارة EEG التحفيز المسبق في 400 مللي ثانية قبل نبض TMS للشروط الثلاثة. (ب) متوسط تتبع EMG من المحرك أثار المحتملة (MEP) سجلت من العضلات المخطوف الأيمن بوليكيس بريفيس لكل حالة. (ج) السعة من الذروة إلى الذروة MEP (في ميكروفولت) من كل محاكمة مع مرور الوقت، لكل حالة الزناد. لاحظ أن أعضاء البرلمان الأوسط أكبر في حالة الذروة السلبية، أصغر في حالة الذروة الإيجابية، ومتوسطة في حالة المرحلة العشوائية. (د) يتم عرض متوسط سعة MEP في كل حالة مع أشرطة الخطأ التي توضح الخطأ القياسي للمتوسط. لاحظ أنه تم اختيار مشارك له تأثير واضح بشكل خاص لأغراض التوضيح وأن حجم التأثير هذا غير ممثل لمتوسط المجموعة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

الدماغ الدولة تعتمد على تخطيط الدماغ التي أثارها TMS هو أسلوب جديد مع وجهات نظر فريدة من نوعها فيما يتعلق بفعالية واتساق آثار تحفيز الدماغ التي تلتذلك 8،9،31. والميزة الرئيسية للطريقة هي أن حالة الدماغ الذاتية ذات الصلة وظيفيا قد تكون موجهة على وجه التحديد لتحريك نبض TMS، مما يؤدي إلى استجابات الدماغ أقل متغيرة وأطول أمدا11. TMS المتكررة في الوقت الحقيقي التي أثارها تخطيط كهربية الدماغ في المرحلة السلبية من الحسية الحركية - إيقاع M1 البشري (أي حالة زيادة استحالة الكورتيكوستيبين، الشكل2) الناجمة عن اللدونة الشبيهة بـ LTP أقوى بكثير (زيادة طويلة الأجل من MEP السعة) مقارنة مع الدماغ الدولة المستقلة TMS11،20. بالإضافة إلى فائدتهالعلمية، فإن تطبيق EEG-TMS في الوقت الحقيقي على المناطق القشرية، مثل القشرة الأمامية الظهرية (DLPFC)، لديه القدرة على زيادة فعالية بروتوكولات تحفيز الدماغ العلاجية الحالية.

في هذه المخطوطة، عرضنا الخطوات المنهجية لتنفيذ EEG-TMS في الوقت الحقيقي. المتطلبات الأساسية لإجراء التجارب مع هذه الطريقة هي، أولا، استخدام نظام تخطيط كهربية الدماغ متوافق مع TMS مع خيار الخروج الرقمي في الوقت الحقيقي، وثانيا، استخدام معالجة الإشارات في الوقت الحقيقي مع تنفيذ الكشف عن المرحلة خوارزمية24، الذي يستخرج إيقاع الدماغ المطلوب (على سبيل المثال، sensorimotor μ-rhythm) من إشارة تخطيط كهربية الدماغ المسجلة باستخدام المرشحات المكانية (على سبيل المثال، مرشح لابلاسيان الذي يركز على C3) ويطبق التحفيز عند الظروف المحددة مسبقاً (أي مرحلة وقوة يتم تلبية إيقاع الدماغ المستهدفة) . يعتمد أداء ودقة الخوارزمية بقوة على SNR لتسجيل EEG20. وبالتالي، فإن خطوات إعداد فريق الخبراء البيئية في البروتوكول حاسمة لتحقيق نظام المعلومات البيئية العالي وضمان التحريك الدقيق للإدارة الانتقالية، وقد يلزم النظر في الاختيار المسبق للمشاركين إذا لم يكن التذبذب المستهدف المعني قابلاً للملاحظة بما فيه الكفاية مع تخطيط كهربية الدماغ في كل فرد. وعلاوة على ذلك، فإن استخدام أذرع الدعم الميكانيكية لللفائف والوسائد فراغ لشل رأس المشارك من المستحسن، من أجل تقليل القطع الأثرية بسبب الضغط متفاوتة من لفائف على الأقطاب الكهربائية.

وفيما يتعلق بتطبيق طريقة EEG-TMS في الوقت الحقيقي في النماذج التجريبية، قد يختلف اختيار إيقاع الدماغ للاهتمام. وبالتالي، من المستحسن إجراء تعديلات على التصفية لتسهيل تحديد نشاط الدماغ المستهدف. في الآونة الأخيرة، تم اقتراح العديد من طرق التصفية المكانية لاستخراج حالة الدماغ ذات الصلة وظيفيا على النحو الأمثل (على سبيل المثال، في مساحة القناة19، مع كثافة المصدر الحالية13، مع المرشحات المكانية المحلية11،28 ، ومع مرشحات فردية باستخدام، على سبيل المثال، التحلل المكاني الطيفي29). ومع ذلك، لا توجد حتى الآن طريقة لا لبس فيها لاستخراج من إشارات تخطيط الدماغ السطحية (الفضاء الاستشعار) مرحلة التذبذب الدماغ الحقيقي (الفضاء المصدر). وهناك ما يبرر إجراء دراسات في المستقبل تقيّم تطابق إشارات السطح ومصدر الفضاء لتحسين دقة خوارزميات تخطيط كهربية الدماغ في الوقت الحقيقي.

في حين أننا في هذا البروتوكول ركزنا على 8-14 هرتز الحسية مأسو إيقاع لإثبات تأثير المرحلة الفورية من هذا التذبذب على الإثارة القشرية الشوكية، والتذبذبات الأخرى (على سبيل المثال، بيتا، ثيتا، أو التذبذبات تحت الإبطاء) قد أيضا تلعب دورا. ويمكن، من حيث المبدأ، استخدام هذه الطريقة لاستهداف المرحلة لأي تذبذب يمكن عزله بكمية كافية من التذبذبات، بما في ذلك التذبذبات المتعددة المفروضة (على سبيل المثال، دورة سالبة من ألفا وذروة إيجابية متزامنة من غاما).

أحد القيود الرئيسية للتجارب EEG-TMS في الوقت الحقيقي هو أن القرار الصدغي فيما يتعلق بمصادر الدماغ يعتمد بشدة على حدوث القطع الأثرية واتساق التحفيز. ولذلك، فإن الشرط الأساسي الحاسم للبروتوكول هو رصد أداء الخوارزمية (أي ضمان حدوث التحفيز عند الكشف عن النشاط العصبي وليس القطع يُعقد طوال التجربة). وعلاوة على ذلك، فإن استخدام الملاحة العصبية لتحديد المواقع المثلى والمتسقة للفائف التحفيز (وخاصة في النماذج التجريبية باستخدام مواقع التحفيز مثل DLPFC) مفيد للحد من تقلب الاستجابة بسبب التباين في ملف الموقف. لاحظ أيضًا، كقيد آخر، أن هناك حاجة إلى أجهزة تخطيط كهربية الدماغ/تخطيط كهربية الدماغ وأجهزة إدارة التضمين أو التضمين التلقائي، وأجهزة المعالجة في الوقت الحقيقي، إلى جانب الخبرة في إعداد وإجراء التجارب بطريقة تقلل إلى أدنى حد من مصادر الاستجابة الخارجية التغير الذي قد يخفي تأثير حالة الدماغ الفورية.

وفي الختام، أظهرنا بروتوكولاً معيارياً لإجراء تجارب في الوقت الحقيقي على EEG-TMS وأدخلنا طريقة جديدة لاستخدام حالات الفائدة الدماغية الذاتية (أي المراحل المختارة مسبقاً وقوة التذبذب الدماغي المحلي المستهدف) لتحريك تحفيز الدماغ. ومن شأن إجراء مزيد من البحوث باستخدام طريقة EEG-TMS في الوقت الحقيقي أن يتيح إدخال تحسينات منهجية ويسهل وضع بروتوكولات فعالة لدراسة وتعديل شبكات الدماغ البشرية.

Disclosures

يتم تمويل C.Z. وP.C.G. جزئيا من خلال منحة نقل البحوث موجودة من قبل الوزارة الاتحادية الألمانية للشؤون الاقتصادية والطاقة (منحة 03EFJBW169). تقارير C.Z. عن توظيف إضافي كموظف بدوام جزئي في مؤسسة الابتكار الطبي غير الهادفة للربح (Stiftung für Medizininnovationen, Tübingen, Germany)؛ شركة تابعة لهذه المؤسسة تنتج المعالج في الوقت الحقيقي المستخدمة في هذه المقالة (الابتكارات الطبية حاضنة GmbH، توبنجن، ألمانيا).

Acknowledgments

يعترف C.Z. بدعم من برنامج العلماء الأطباء من كلية الطب، جامعة توبنجن. تعترف الولايات المتحدة بدعم من مؤسسة البحوث الألمانية (منحة ZI 542/7-1). T.O.B. يعترف بدعم من مؤسسة البحوث الألمانية (منحة BE 6091/2-1). وينوه J.O.N. بالدعم المقدم من أكاديمية فنلندا (القراران رقم 294625 و306845). ويعترف المؤلفان بدعم صندوق النشر المفتوح التابع لجامعة توبنجن.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation: a primer. Neuron. 55, (2), 187-199 (2007).
  2. Barker, A. T., Jalinous, R., Freeston, I. L. Non-invasive magnetic stimulation of human motor cortex. Lancet. 1, (8437), 1106-1107 (1985).
  3. Lopez-Alonso, V., Cheeran, B., Río-Rodríguez, D., Fernandez-del-Olmo, M. Inter-individual variability in response to non-invasive brain stimulation paradigms. Brain Stimulation. 7, (3), 372-380 (2014).
  4. Muller-Dahlhaus, J. F., Orekhov, Y., Liu, Y., Ziemann, U. Interindividual variability and age-dependency of motor cortical plasticity induced by paired associative stimulation. Experimental Brain Research. 187, (3), 467-475 (2008).
  5. Ziemann, U., Siebner, H. R. Inter-subject and inter-session variability of plasticity induction by non-invasive brain stimulation: Boon or bane? Brain Stimulation. 8, (3), 662-663 (2015).
  6. Arieli, A., Sterkin, A., Grinvald, A., Aertsen, A. Dynamics of ongoing activity: explanation of the large variability in evoked cortical responses. Science. 273, (5283), 1868-1871 (1996).
  7. Thut, G., Ives, J. R., Kampmann, F., Pastor, M. A., Pascual-Leone, A. A new device and protocol for combining TMS and online recordings of EEG and evoked potentials. Journal of Neuroscience Methods. 141, (2), 207-217 (2005).
  8. Zrenner, C., Belardinelli, P., Müller-Dahlhaus, F., Ziemann, U. Closed-Loop Neuroscience and Non-Invasive Brain Stimulation: A Tale of Two Loops. Frontiers in Cellular Neuroscience. 10, 92 (2016).
  9. Bergmann, T. O. Brain State-Dependent Brain Stimulation. Frontiers in Psychology. 9, 2108 (2018).
  10. Matthews, P. B. The effect of firing on the excitability of a model motoneurone and its implications for cortical stimulation. Journal of Physiology. 518 (Pt 3), 867-882 (1999).
  11. Zrenner, C., Desideri, D., Belardinelli, P., Ziemann, U. Real-time EEG-defined excitability states determine efficacy of TMS-induced plasticity in human motor cortex. Brain Stimulation. 11, (2), 374-389 (2018).
  12. Stefanou, M. I., Desideri, D., Belardinelli, P., Zrenner, C., Ziemann, U. Phase Synchronicity of mu-Rhythm Determines Efficacy of Interhemispheric Communication Between Human Motor Cortices. Journal of Neuroscience. 38, (49), 10525-10534 (2018).
  13. Berger, B., Minarik, T., Liuzzi, G., Hummel, F. C., Sauseng, P. EEG oscillatory phase-dependent markers of corticospinal excitability in the resting brain. BioMed Research International. 2014, 936096 (2014).
  14. Keil, J., et al. Cortical brain states and corticospinal synchronization influence TMS-evoked motor potentials. Journal of Neurophysiology. 111, (3), 513-519 (2014).
  15. Rogasch, N. C., et al. Analysing concurrent transcranial magnetic stimulation and electroencephalographic data: A review and introduction to the open-source TESA software. NeuroImage. 147, 934-951 (2017).
  16. Herring, J. D., Thut, G., Jensen, O., Bergmann, T. O. Attention Modulates TMS-Locked Alpha Oscillations in the Visual Cortex. Journal of Neuroscience. 35, (43), 14435-14447 (2015).
  17. Romei, V., et al. Spontaneous fluctuations in posterior alpha-band EEG activity reflect variability in excitability of human visual areas. Cerebral Cortex. 18, (9), 2010-2018 (2008).
  18. Sauseng, P., Klimesch, W., Gerloff, C., Hummel, F. C. Spontaneous locally restricted EEG alpha activity determines cortical excitability in the motor cortex. Neuropsychologia. 47, (1), 284-288 (2009).
  19. Bergmann, T. O., et al. EEG-guided transcranial magnetic stimulation reveals rapid shifts in motor cortical excitability during the human sleep slow oscillation. Journal of Neuroscience. 32, (1), 243-253 (2012).
  20. Schaworonkow, N., Triesch, J., Ziemann, U., Zrenner, C. EEG-triggered TMS reveals stronger brain state-dependent modulation of motor evoked potentials at weaker stimulation intensities. Brain Stimulation. 12, (1), 110-118 (2019).
  21. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety of TMS Consensus Group. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clinical Neurophysiology. 120, (12), 2008-2039 (2009).
  22. Kanal, E., et al. ACR guidance document for safe MR practices: 2007. American Journal of Roentgenology. 188, (6), 1447-1474 (2007).
  23. Oldfield, R. C. The assessment and analysis of handedness: The Edinburgh inventory. Neuropsychologia. 9, (1), 97-113 (1971).
  24. Chen, L. L., Madhavan, R., Rapoport, B. I., Anderson, W. S. Real-time brain oscillation detection and phase-locked stimulation using autoregressive spectral estimation and time-series forward prediction. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 60, (3), 753-762 (2013).
  25. Habibollahi Saatlou, F., et al. An open-source MATLAB toolbox for external control of transcranial magnetic stimulation devices. Brain Stimulation. 11, (5), 1189-1191 (2018).
  26. Lioumis, P., Zomorrodi, R., Hadas, I., Daskalakis, Z. J., Blumberger, D. M. Combined Transcranial Magnetic Stimulation and Electroencephalography of the Dorsolateral Prefrontal Cortex. Journal of Visualized Experiments. (138), e57983 (2018).
  27. Mishory, A., et al. The maximum-likelihood strategy for determining transcranial magnetic stimulation motor threshold, using parameter estimation by sequential testing is faster than conventional methods with similar precision. The Journal of Electroconvulsive Therapy (ECT). 20, (3), 160-165 (2004).
  28. Thies, M., Zrenner, C., Ziemann, U., Bergmann, T. O. Sensorimotor mu-alpha power is positively related to corticospinal excitability. Brain Stimulation. 11, (5), 1119-1122 (2018).
  29. Schaworonkow, N., et al. μ-Rhythm Extracted With Personalized EEG Filters Correlates With Corticospinal Excitability in Real-Time Phase-Triggered EEG-TMS. Frontiers in Neuroscience. 12, 954 (2018).
  30. Hjorth, B. An on-line transformation of EEG scalp potentials into orthogonal source derivations. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 39, (5), 526-530 (1975).
  31. Bergmann, T. O., Karabanov, A., Hartwigsen, G., Thielscher, A., Siebner, H. R. Combining non-invasive transcranial brain stimulation with neuroimaging and electrophysiology: Current approaches and future perspectives. NeuroImage. 140, 4-19 (2016).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics