Cérebro estado-estimulação cerebral dependente com Eletroencefalografia em tempo real-desencadeada estimulação magnética transcraniana

Behavior
 

Summary

Este papel descreve a estimulação magnética transcraniana da electroencefalografia-tempo real-provocada para estudar e modular redes humanas do cérebro.

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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).

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Abstract

O efeito de um estímulo ao cérebro depende não só dos parâmetros do estímulo, mas também da dinâmica da atividade cerebral no momento da estimulação. A combinação de eletroencefalografia (EEG) e estimulação magnética transcraniana (TMS) em um sistema de estimulação dependente do Estado cerebral em tempo real permite o estudo das relações de dinâmica da atividade cerebral, excitabilidade cortical e indução da plasticidade . Aqui, Nós demonstramos um método recentemente desenvolvido para sincronizar o sincronismo da estimulação do cérebro com a fase de oscilações contínuas de EEG usando um sistema de análise de dados em tempo real. Este TMS EEG-provocado tempo real do córtice de motor humano, quando TMS é sincronizado com o pico negativo de superfície de EEG do μ-alfa sensorimotor (8-14 hertz) o ritmo, mostrou a excitabilidade corticospinal diferencial e efeitos do plasticidade. A utilização deste método sugere que as informações em tempo real sobre o Estado cerebral instantâneo podem ser utilizadas para a indução de plasticidade eficaz. Adicionalmente, esta aproximação permite a estimulação EEG-sincronizada personalizada do cérebro que pode conduzir ao desenvolvimento de uns protocolos terapêuticos mais eficazes da estimulação do cérebro.

Introduction

TMS é um método bem estabelecido para a estimulação não invasora do cérebro e permite a modulação específica da dinâmica de rede e dos estudos contínuos de vias neurais e corticospinal neural com a precisão armazenamento elevada1. Ao estimular o córtex motor primário (M1), a resposta neural pode ser quantificada como potencial evocado motor (eurodeputados), bem como potenciais de EEG evocados por TMS. Os eurodeputados podem ser registados por electromiografia (EMG) dos músculos-alvo, e a sua amplitude reflecte a excitabilidade corticoespinhal ao estimular o córtex motor primário2.

Apesar do potencial único de estimulação cerebral não invasiva como uma ferramenta científica para investigar e modular as redes cerebrais em participantes de estudo saudáveis e em pacientes, os estudos de TMS sofrem de grande variabilidade experimental-a-julgamento e intra e interindividual de respostas evocadas3,4,5. Especificamente, em estudos TMS da excitabilidade e da plasticidade corticospinal, as respostas do MEP, assim como a potenciação a longo prazo induzida (LTP)-ou a depressão a longo prazo (LTD)-como a plasticidade, exibem a variabilidade intrínseca elevada, mesmo quando os parâmetros do estímulo são cuidadosamente controlados3,4. No entanto, evidências de estudos em animais indicam que a variabilidade observada das respostas não é atribuível ao "ruído aleatório", mas está relacionada aos Estados oscilantes cerebrais no momento da estimulação6. Conformemente, combinando TMS com o EEG em um paradigma Brain-State-dependente tempo real da estimulação (isto é, TMS EEG-provocado), o estado instantâneo de flutuação do cérebro pode ser usado para aperfeiçoar o sincronismo de estímulo7,8, 9 anos de , a 10.

Diversos estudos relacionaram a fase instantânea de oscilações neurais contínuas à excitabilidade neuronal usando os sistemas TMS-compatíveis de EEG11,12. Os amplificadores modernos de EEG podem segurar os grandes artefatos eletromagnéticos de TMS, e os protocolos experimentais cada vez mais bem estabelecidos existem para a combinação de EEG com TMS13,14 e a remoção post hoc do EEG TMS-relacionado artefatos15,16. Quando a influência do estado de cérebro do prestimulus como avaliada por EEG em respostas TMS-evocadas pode ser avaliada com os estímulos aleatòria aplicados TMS que são classificados borne hoc17,18, a aplicação repetitiva de TMS em um cérebro predefinido o Estado exige o EEG-disparado tempo real TMS11,19.

Aqui, uma configuração de TMS-acionada por EEG de resolução de milissegundos personalizada é usada para sincronizar pulsos TMS com uma fase predeterminada de oscilações cerebrais contínuas11, demonstrando que a deflexão negativa do EEG do ritmo μ-alfa corresponde a uma maior estado da excitabilidade cortical (que conduz às amplitudes maiores do MEP) em comparação à deflexão positiva8,11,12,20do EEG. Neste manuscrito, nós apresentamos um método para conduzir em tempo real EEG-desencadeou protocolos de TMS para estudar redes do cérebro humano.

Protocol

Todos os procedimentos experimentais descritos nas seções a seguir foram aprovados pelo Comitê de ética institucional, seguindo as diretrizes da declaração de Helsínquia, e todos os participantes forneceram o termo de consentimento livre e esclarecido antes da matrícula do estudo.

1. participantes do estudo

  1. Recrutamento de sujeitos
    1. Recrutar participantes do estudo com base em critérios de inclusão predefinidos. Tela candidatos para contra-indicações, tais como a presença de dispositivos médicos implantados (por exemplo, pacemaker cardíaco), de acordo com as diretrizes de segurança TMS21, ou para doenças neurológicas ou psiquiátricas e o uso de drogas que atuam sobre o sistema nervoso.
    2. Para estudos que necessitam de ressonância magnética (RM), avaliar os potenciais participantes do estudo para possíveis contra-indicações para a RM de acordo com as normas de segurança radiológicas22. Realize uma análise de potência para garantir que a amostra do estudo seja suficiente para a análise estatística.
    3. Opcionalmente, pré-eleger os indivíduos com uma oscilação proeminente de interesse no sinal extraído pela montagem escolhida EEG, a fim de melhorar a precisão da detecção de fase.
      Nota: Neste experimento, o Laplaciano centrado no C3 (C3 referenciado à média dos eletrodos circundantes CP1, CP5, FC1 e FC5) foi utilizado para extrair o ritmo sensorimotor μ-Rhythm com o sujeito em repouso e olhos abertos. Os indivíduos pré-selecionados foram sujeitos com um único pico na faixa alfa (8-14 Hz), que contém > 25% da potência total no espectro de potência da densidade de fonte atual (CSD). Este critério garantiu que a amplitude de oscilação era suficientemente grande em comparação com o ruído de fundo (boa relação sinal-ruído [SNR]) para permitir que o algoritmo para estimar a fase instantânea do sinal de disparo com precisão suficiente e aumentou a probabilidade de observar um efeito significativo de excitabilidade11,12,28,29,30.
  2. Informações sobre o assunto
    1. Fornecer aos sujeitos o termo de consentimento informado relacionado ao estudo. Forneça questionários impressos da seleção da segurança de TMS e de MRI.
      Nota: Esses documentos e o protocolo de estudo, bem como o uso de dados pessoais (por exemplo, de questionários) e dados humanos identificáveis (por exemplo, da RM), precisam ser pré-aprovados pelo Comitê de ética (Conselho de revisão institucional).
    2. Peça ao sujeito que preencha os questionários de triagem de segurança TMS e MRI. Adquirir o consentimento informado por escrito para a participação no estudo e o uso planejado de dados.
    3. Adquira dados demográficos.
    4. Avalie o assunto handedness usando inventários padrão (por exemplo, o inventário de handedness de Edimburgo)23.
    5. Introduza o assunto ao procedimento da instalação e da estimulação. Assegure-se de que cada participante esteja familiarizada com a sensação de TMS e o tolera bem.
    6. Adquira MRI para cada participante antes das sessões experimentais TMS. São necessárias imagens anatômicas de cabeça inteira, incluindo o topo do couro cabeludo e os marcos anatômicos (ou seja, o tragus de ambas as orelhas), pois estes servirão como pontos de referência para a neuronavaação em etapas subsequentes deste protocolo.
    7. Agendar as sessões experimentais de acordo com as especificações do protocolo do estudo (ou seja, levar em conta "períodos de washout" entre os experimentos).
      Nota: Idealmente, os indivíduos devem vir ao mesmo tempo e no mesmo dia da semana nos protocolos que comparam condições diferentes em sessões múltiplas.
    8. Instrua os participantes a abster-se de consumir álcool, nicotina ou cafeína antes das sessões experimentais agendadas. Os indivíduos também devem ter tido seu sono regular na noite anterior ao experimento e não ser excepcionalmente cansado.

2. preparação da instalação

  1. Real-tempo-dados-fluxo-capaz de sistema de EEG
    1. Use um amplificador TMS-compatível de EEG/EMG que possa segurar os pontos da tensão induzidos pelo pulso de TMS.
      Nota: O sistema do amplificador precisa de fazer um córrego de dados cru disponível em uma baixa latência constante (< 5 ms) para o processamento subseqüente por um processador tempo real. Neste experimento, um amplificador de biosinal de 24-bit 80-Channel foi usado para gravações de EEG e EMG.
    2. Configurar o sistema do amplificador de EEG/EMG ao filtro passa-baixo (por exemplo, 0,16 hertz de corte), e para baixo-prove os dados do sinais a 5 quilohertz da taxa de amostragem na fase principal do amplificador.
    3. Assegure-se de que o sistema do amplificador envie os pacotes de dados que contêm os canais relevantes através de um protocolo de datagrama de usuário em tempo real (UDP) ao processador do tempo real em intervalos constantes regulares ≤ 1ms. Use uma freqüência elevada da amostragem (por exemplo, 5 quilohertz) para capturar as respostas do EMG e para minimizar o atraso do filtro dos dados de EEG.
  2. Dispositivo de TMS compatível com EEG
    1. Use um dispositivo TMS que possa ser provocado externamente com um atraso fixo e mínimo e que minimize artefatos na gravação simultânea de EEG (por exemplo, ruído de linha no EEG através do cabo da bobina TMS, recarregando artefatos após o pulso).
    2. Assegure-se de que a distância entre o estimulador TMS (que inclui o cabo da bobina e da bobina) e o sistema de gravação de EEG esteja maximizada para reduzir a interferência elétrica (pelo menos 1 m). Sempre que possível, desligue as fontes de interferência eletromagnética, como ventiladores e motores. Além disso, assegure-se de que as ligações da gravação de EEG e de EMG estejam posicionadas e alinhadas tal que a interferência comum cancela para fora.
  3. Sistema de processamento de dados de EEG em tempo real
    Nota: O córrego de dados do EEG do tempo real é adquirido e analisado usando um sistema de processamento digital do sinal do tempo real, que dispare então o dispositivo TMS quando uma condição predeterminada é satisfeita. Tal sistema foi desenvolvido medida em nosso laboratório11 para implementar um algoritmo de detecção de fase semelhante à abordagem por Chen et al.24 e consiste nas seguintes etapas.
    1. Analise uma janela deslizante dos dados, 500 MS por muito tempo (Figura 1a), para estimar a fase instantânea da oscilação do cérebro do alvo à fase-desencadeiam especificamente o stimulator de TMS.
    2. Realize a filtragem de bandpass da janela para as frequências de interesse (por exemplo, entre 9 e 14 Hz para o ritmo sensorimotor μ-alfa; Figura 1b). Considere ajustar os parâmetros de filtro para a frequência de pico individual da oscilação alvo.
    3. Remova todos os dados distorcidos pelos efeitos de borda de filtragem. Observe que há um trade-off em que os filtros mais fortes têm efeitos de borda maiores.
    4. Use um modelo autoregressivo para encaminhar prever o sinal (Yule-Walker, ordem 30; Figura 1C).
    5. Aplique uma transformada de Hilbert da janela resultante de dados para produzir o sinal analítico, a partir do qual a fase instantânea do sinal é determinada tomando o ângulo do número complexo no ponto de tempo relevante.
    6. Estime o espectro de potência de EEG da janela deslizante dos dados nos escaninhos de freqüência do interesse (por exemplo, 9-14 hertz) usando um curto-tempo Hann-windowed FFT.
    7. Quando a fase e o poder cumprem um critério predeterminado (por exemplo, um pico negativo, o limiar de potência mínimo), geram um pulso da saída digital (TTL) com o sistema do tempo real para disparar o dispositivo TMS.
  4. Sistema de neuronavaação
    1. Para monitorar a posição da bobina e conseguir o alvo exato e consistente de TMS dentro e através das sessões, use um sistema do neuronavegação.
      Nota: Um sistema infravermelho estereofónico da câmera é usado precisamente para encontrar em trackers reflexivos do espaço tridimensional, que são montados na cabeça do assunto e na bobina da estimulação, permitindo o posicionamento relativo preciso da bobina com respeito ao cérebro do indivíduo Anatomia após a calibração e o registro de MRI. Para estudos da único-sessão e ao planear analisar somente o EMG e não as respostas de EEG a TMS, a navegação baseada em um cérebro padrão em vez de um MRI individual é suficiente.
    2. Carregue os dados estruturais individuais da RM no software do sistema de navegação antes de iniciar o experimento para cada participante.
  5. Computador de controle experimental
    1. Use um computador de controle experimental que seja conectado ao sistema de EEG, ao dispositivo TMS, ao dispositivo do tempo real, e ao sistema do neuronavegação.
      Nota: O software de EEG controla o sistema do amplificador de EEG, ajusta parâmetros, e começa e pára o arquivamento dos dados de EEG. O dispositivo TMS pode ser remoto-controlado para mudar parâmetros da estimulação (intensidade, sentido atual, etc.) com uma caixa de ferramentas de controle remoto25.
    2. Controle remotamente o dispositivo em tempo real para definir as condições de gatilho desejadas.
      Nota: O sistema do neuronavegação pode ser remoto-controlado, por exemplo para alvejar posições diferentes da bobina.
    3. Combine todos os acima em um script de controle experimental para permitir a automatização das condições experimentais e do fluxo de controle.
  6. Eletrodos de gravação de EEG
    1. Assegure-se de que os tampões TMS-compatíveis da gravação de EEG com a disposição desejada do elétrodo estejam disponíveis em tamanhos diferentes. Meça a circunferência principal do assunto e prepare a tampa apropriadamente feita medida.
    2. Mantenha os materiais necessários para a preparação do EEG à mão (por exemplo, géis abrasivos e condutores, seringas com agulhas sem corte estéreis, etc.).
  7. Eletrodos de gravação EMG
    1. Mantenha os eletrodos de superfície EMG, leads e materiais necessários para preparação da pele pronto.

3. conduzindo o experimento

  1. Preliminares
    1. Assegure-se de que a papelada requerida esteja em ordem (o formulário de consentimento do estudo é assinado) e que o participante não tenha tido efeitos adversos desde a sessão anterior.
    2. Assente o assunto em uma posição reclinável confortável para minimizar o movimento da cabeça durante o experimento. Um descanso do vácuo envolvido em torno da garganta e da mais baixa cabeça pode ajudar a suportar a cabeça do participante sem causar a tensão adicional do músculo (por exemplo, como um descanso do queixo faria).
  2. Preparação para EEG e EMG
    1. Coloc a tampa apropriadamente feita medida de EEG na cabeça do assunto e posicione a tampa corretamente. Evite a tensão excessiva abaixo do queixo para reduzir a atividade do músculo craniano e da garganta que poderia contaminar o EEG26.
    2. Registre o assunto no software de gravação de EEG.
    3. Prepare os elétrodos de EEG de acordo com o protocolo laboratório-específico (por exemplo, aplique o gel abrasivo seguido pelo gel condutor).
    4. Verifique se as impedâncias do eletrodo EEG estão abaixo de 5 kΩ.
    5. Para manter o gel de condução de secar ou ficar manchado para os eletrodos adjacentes por qualquer movimento da bobina TMS, cubra a tampa do EEG com plástico Wrap. Em seguida, ajuste uma tampa líquida acima do envoltório de plástico para manter os cabos em uma posição fixa para reduzir a variabilidade do EEG-artefato e aplique fita adesiva para aumentar a estabilidade das múltiplas camadas.
    6. Anexar os eletrodos EMG superfície sobre os músculos-alvo depois de ter limpado e levemente esfolada a pele (por exemplo, usar uma gravação bipolar do músculo abdutor direita brevis mão muscular em uma montagem barriga-tendão).
      Nota: Aqui, uma gravação bipolar do músculo abdutor direito da mão dos do do polegar brevis em uma montagem do barriga-tendão foi usada. A colocação dos elétrodos do EMG é importante porque os elétrodos de superfície registram geralmente a atividade dos músculos subjacentes múltiplos.
    7. Verific a harmonização correta entre os sensores reais de EEG na cabeça e os traços gravados no sistema de EEG tocando em alguns elétrodos de EEG para causar artefatos. Como uma verificação de sanidade, verifique se o alfa occipital aumenta quando o participante fecha os olhos.
    8. Inspecione visualmente o EEG e o sinal EMG contínuos para artefatos (por exemplo, ruído de linha, atividade muscular) ou eletrodos ruins.
    9. Assegure-se de que o participante permaneça acordado e mantenha seus olhos abertos durante todo o experimento para evitar oscilações alfa occipitais contaminando o sinal.
  3. Preparação da neuronavaação
    1. Prenda o perseguidor principal reflexivo à cabeça do participante com a fita adesiva suficiente para assegurar a estabilidade durante todo o experimento.
    2. Use a ferramenta do ponteiro para coregister o modelo principal com os marcos anatômicos relevantes (por exemplo o Nasion, o trágico de ambas as orelhas, os cantos dos olhos).
    3. Anexar um rastreador de bobina para a bobina de estimulação e calibrar a bobina.
    4. Posicione o ponteiro em pontos diferentes na superfície da cabeça e verifique a exatidão da posição exibida no monitor do sistema de neuronavacidade.
    5. Identifique as posições do sensor de EEG para o RM com o MRI individual.
  4. EEG basal
    1. Demonstre os artefatos típicos do EEG ao assunto (por exemplo, deglutição, mastigação, piscas oculares) e instrua o sujeito a evitá-los durante todo o experimento. Além disso, peça-lhes para evitar o aperto da mandíbula, bocejar, ou falar.
    2. Peça ao sujeito que fixar em um ponto com os olhos abertos e realize uma gravação curta do estado de repouso EEG com os olhos abertos.
    3. Se necessário para a computação de filtros em tempo real, registre atividade adicional de EEG durante as tarefas.
  5. Encontrando o motor "hotspot" e determinação do limiar motor de repouso
    1. Encontre o motor "hotspot" (ou seja, o local de estimulação sobre o qual o single-Pulse TMS provoca os eurodeputados em forma de uma amplitude comparativamente consistente nos ensaios) e guarde a posição correspondente da bobina (incluindo a orientação da bobina e a angulação) no sistema de neuronavaação.
    2. Encontre o limiar motor de repouso (RMT) aplicando pulsos únicos TMS sobre o córtice de motor em intensidades gradualmente crescentes da estimulação até que os eurodeputados eliciados tenham amplitudes Peak-to-Peak superiores de 50 μV em mais de 50% dos testes21.
    3. Se disponível, use um script automatizado para estimativa de parâmetro por testes seqüenciais (PEST), por exemplo, seguindo uma estratégia de máxima verossimilhança27 , que também fornece uma estimativa on-line do intervalo de confiança de RMT com base no observado variabilidade de respostas únicas e que normalmente requer ca. 30 pulsos de teste de intensidade de variação adaptativamente para obter uma estimativa de RMT robusta.
    4. Se esta não é a primeira sessão experimental, compare a posição da bobina com a posição precedente e compare o RMT obtido com o RMT precedente para validar a consistência.
    5. Se necessário, determine intensidades de estimulação para o limiar motor ativo (AMT) ou para a amplitude do PEMÁX de pico a pico de 1 mV usando procedimentos padrão21.
  6. Preparação participante final
    1. Opcionalmente, imobilizar a cabeça do sujeito usando um travesseiro a vácuo.
    2. Opcionalmente, forneça um ruído de mascaramento através dos tampões de ouvido (ao planear analisar potenciais TMS-evocados de EEG). Caso contrário, fornecer o assunto com tampões e fones de ouvido para proteção auditiva.
    3. Opcionalmente, alinhe e fixe a bobina na posição desejada usando um braço mecânico.
  7. Validação de qualidade de dados pré-experimento
    1. Verifique se o processador em tempo real está recebendo dados do sistema EEG.
    2. Verifique o sinal obtido a partir do filtro espacial EEG desejado (por exemplo, montagem laplaciana centrada no C3) para artefatos óbvios.
    3. Confirme visualmente a qualidade do sinal EEG, verifique se há eletrodos ruins, ruídos de linha excessivos e artefatos musculares, e ajuste a janela de tempo e a escala de amplitude no software do sistema EEG para inspeção visual contínua durante o experimento.
  8. Sessão experimental principal
    1. A menos que a intensidade do estimulador seja controlada por controle remoto no roteiro experimental, defina manualmente a intensidade de estimulação para o valor desejado (por exemplo, 110% do RMT).
    2. Inicie o roteiro experimental para aplicar pulsos em diferentes fases da oscilação alvo em uma ordem aleatória.
    3. Durante o experimento, monitore os limiares de condição de gatilho (limiar de detecção de artefato, limiar de pré-inervação, potência mínima, etc.).
      Nota: Os estímulos serão acionados em intervalos irregulares, pois o processador em tempo real está aguardando que as condições do gatilho ocorram. No entanto, as condições devem ser definidas de forma que a maioria dos estímulos ocorra dentro de um intervalo previsível (por exemplo, 2-3 s após o pulso anterior), e pausas longas (por exemplo, neste caso, > 5 s) são evitadas, pois estas conduziriam a respostas evocadas maiores devido à novidade.
      1. Alternativamente, use a estratificação post hoc para remover ensaios após intervalos excessivamente longos.
    4. Para alcançar um poder estatístico suficiente para diferenciar os efeitos de estimulação específicos da fase, adquira um número suficiente de ensaios
      Nota: Nós escolhemos tipicamente 80-120 testes intercalados por a circunstância20.
    5. Documente os horários de início e término das várias sessões e mantenha um registro de ocorrências incomuns.

Representative Results

A utilização do TMS EEG-provocado tempo real no córtice de motor preliminar humano revela excitabilidade corticospinal diferencial e efeitos do plasticidade. Usando o protocolo descrito acima, o EEG-TMS tempo real foi aplicado, sincronizando TMS com a fase oscilatória em curso de EEG do μ-ritmo sensorimotor endógeno em três circunstâncias do disparador (pico positivo, pico negativo, e fase aleatória) na ordem aleatorizada . Uma montagem de EEG de laplacian foi usada para extrair o μ-ritmo sensorimotor consultando o elétrodo C3 do EEG à média de quatro elétrodos circunvizinhos (FC1, FC5, CP1, e CP5). A Figura 2a mostra o sinal médio do EEG do prestimulus nos 400 MS antes do pulso TMS para as três condições predefinidas. Os eurodeputados eliciados médios registados a partir dos músculos da direita estão representados na Figura 2b. Estes resultados mostram que a deflexão negativa do EEG do μ-ritmo corresponde a um estado cortical mais elevado da excitabilidade (conduzindo às amplitudes maiores do MEP) em comparação à deflexão positiva de EEG, com baixa variabilidade intervalos do observado corticospinal efeitos de excitabilidade, apresentados na Figura 2C.

Figure 1
Figura 1. º : TMS cérebro-estado-dependente EEG-Phase-provocado. Os dados crus de EEG do escalpe derivados de uma montagem de cinco canais laplacian centrou-se no elétrodo C3 sobre o córtice sensorimotor esquerdo foi adquirido amostra-por-amostra por um sistema de processamento digital do sinal do tempo real. (a) a 500-a janela deslizante de MS de dados de EEG foi processada pelo algoritmo cada 2 ms. (b) o sinal após a filtração da faixa-passagem e a remoção dos artefatos da borda. (c) o sinal previsto para a frente (traço vermelho) com base em um modelo de previsão autoregressivo que foi calculado a partir da janela de dados. A fase no tempo zero ("agora") foi estimada usando uma transformada de Hilbert, a potência espectral foi estimada a partir da janela de dados. O estimulador TMS foi acionado quando uma fase predefinida e uma condição de amplitude espectral foram atendidas. TMS sobre o córtice de motor preliminar esquerdo conduziu aos eurodeputados nos músculos da direito-mão gravados com EMG de superfície. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2. º: Dados de um assunto exemplar que receberam TMS em tempo real acionado por EEG sobre o M esquerdo 1. º , visando a fase da 10 Hz sensorimotor μ-ritmo. Uma centena de estímulos foram aplicados de acordo com três condições de desencadeamento de fase (pico positivo, pico negativo e fase aleatória) em combinação com uma condição de limiar de potência espectral mínima constante de 10 Hz, em ordem aleatória, com intervalo interexperimental de aproximadamente 3 s. Uma montagem de EEG de laplacian foi usada para extrair o μ-ritmo sensorimotor consultando o elétrodo C3 do EEG à média de quatro elétrodos circunvizinhos (FC1, FC5, CP1, e CP5). (a) sinal médio do EEG do prestimulus nos 400 MS antes do pulso TMS para as três circunstâncias. (b) traço EMG médio do potencial evocado motor (Pemáx) gravado do músculo abdutor direito brevis para cada condição. (c) amplitude do MEP Peak-to-Peak (em microvolts) de cada experimentação sobre o tempo, por a condição do disparador. Note-se que os eurodeputados são os maiores na condição de pico negativo, menor na condição de pico positivo, e intermediário na condição de fase aleatória. (d) a amplitude média da Pemáx em cada condição é mostrada com barras de erro ilustrando o erro padrão da média. Observe que um participante com um efeito particularmente claro foi selecionado para fins de ilustração e que esse tamanho de efeito não é representativo para a média do grupo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

O TMS EEG-provocado cérebro-estado-dependente é um método novo com perspectivas originais no que diz respeito à eficácia e à consistência dos efeitos de seguimento da cérebro-estimulação8,9,31. A principal vantagem do método é que um Estado cerebral endógeno funcionalmente relevante pode ser especificamente direcionado para desencadear o pulso TMS, induzindo respostas cerebrais potencialmente menos variáveis e mais duradouras11. O TMS repetitivo EEG-disparado tempo real na fase negativa do μ-ritmo sensorimotor do M1 humano (isto é, o estado da excitabilidade corticospinal aumentada, Figura 2) induziu significativamente mais forte a PLASTICIDADE LTP-como (um aumento a longo prazo do MEP amplitude) comparado ao cérebro-estado-independente TMS11,20. Além do que sua utilidade científica, a aplicação do EEG-TMS tempo real às áreas corticais, tais como o córtice pré-frontal dorsolateral (DLPFC), tem o potencial aumentar a eficácia de protocolos terapêuticos atuais da estimulação do cérebro.

Neste manuscrito, apresentamos as etapas metodológicas para a implantação do EEG-TMS em tempo real. Os requisitos fundamentais para a condução de experimentos com este método são, em primeiro lugar, o uso de um sistema de EEG compatível com TMS com uma opção de saída digital em tempo real e, segundo, o uso de processamento de sinais em tempo real com a implementação de uma detecção de fase algoritmo24, que extrai o ritmo cerebral desejado (por exemplo, o μ-ritmo sensorimotor) a partir do sinal EEG gravado usando filtros espaciais (por exemplo, filtro Laplaciano centrado no C3) e aplica estimulação quando as condições pré-selecionadas (i.e., fase e potência de o ritmo cerebral alvo) são cumpridos. O desempenho e a exatidão do algoritmo dependem fortemente do SNR da gravação20de EEG. Assim, as etapas da preparação de EEG do protocolo são cruciais para conseguir um SNR elevado e para assegurar o disparador exato do TMS, e uma pré-eleição dos participants pode precisar de ser considerada se a oscilação do alvo respectiva não é suficientemente observável com EEG em cada indivíduo. Além disso, aconselha-se o uso de braços de suporte mecânico para as bobinas e almofadas de vácuo para imobilizar a cabeça do participante, a fim de minimizar artefatos devido à pressão variável da bobina nos eletrodos.

Em relação à aplicação do método EEG-TMS em tempo real em paradigmas experimentais, a seleção do ritmo cerebral de interesse pode variar. Assim, os ajustes da filtragem são aconselháveis para facilitar a identificação da atividade cerebral direcionada. Recentemente, vários métodos de filtragem espacial foram propostos para extrair otimamente um Estado cerebral funcional relevante (por exemplo, no canal19, com a densidade de fonte atual13, com filtros espaciais locais11,28 , e com filtros individualizados utilizando, por exemplo, a decomposição espacial-espectral29). Contudo, até agora, nenhum método inequívoco existe para extrair dos sinais de superfície de EEG (espaço do sensor) a fase real do cérebro-oscilação (espaço da fonte). Estudos futuros que avaliam a correspondência de sinais de superfície e de espaço-fonte são garantidos para melhorar a precisão dos algoritmos de EEG em tempo real.

Considerando que neste protocolo nós focamos no μ-ritmo sensorimotor do 8-14-Hz para demonstrar a influência da fase instantânea desta oscilação na excitabilidade corticospinal, outras oscilações (por exemplo, beta, Theta, ou oscilações do infraslow) podem igualmente desempenhar um papel. Este método pode, em princípio, ser usado para direcionar a fase para qualquer oscilação que pode ser isolada com um SNR suficiente, incluindo múltiplas oscilações sobrepostas (por exemplo, um ciclo negativo de alfa e um pico simultâneo positivo de gama).

Uma das principais limitações dos experimentos de EEG-TMS em tempo real é que a resolução espaciotemporal em relação às fontes cerebrais é fortemente dependente da ocorrência do artefato e da consistência da estimulação. Portanto, um pré-requisito crítico do protocolo é o monitoramento do desempenho do algoritmo (ou seja, garantir que a estimulação ocorra após a detecção de atividade neuronal e não vesícula durante todo o experimento). Além disso, a utilização do neuronavegação para o posicionamento óptimo e consistente da bobina da estimulação (especial em paradigmas experimentais que usam locais da estimulação tais como o dlpfc) é útil para reduzir a variabilidade da resposta devido à variabilidade em posição da bobina. Observe também, como uma limitação adicional, que especificamente selecionados e configurados EEG/EMG, TMS, e dispositivos de processamento em tempo real são necessários, juntamente com a experiência na preparação e realização dos experimentos de forma a minimizar fontes externas de resposta variabilidade que pode mascarar o efeito do cérebro-estado instantâneo.

Em conclusão, Nós demonstramos um protocolo padrão para conduzir experiências em tempo real de EEG-TMS e introduzimos um método novo para utilizar os Estados de cérebro endógenos do interesse (isto é, fases pré-selecionadas e poder de uma oscilação endógena alvejada do cérebro) para desencadear a estimulação cerebral. Pesquisas adicionais utilizando o método EEG-TMS em tempo real permitirão melhorias metodológicas e facilitarão o desenvolvimento de protocolos efetivos para o estudo e a modulação das redes cerebrais humanas.

Disclosures

C.Z. e P.C.G. são financiados parcialmente com uma transferência da existência da concessão da pesquisa pelo Ministry federal alemão para assuntos econômicos e energia (Grant 03EFJBW169). C.Z. relata emprego adicional como funcionário de meio período da Fundação de inovação médica sem fins lucrativos (Stiftung für Medizininnovationen, Tübingen, Alemanha); uma subsidiária desta fundação está produzindo o processador em tempo real usado neste artigo (Medical Innovations incubadora GmbH, Tübingen, Alemanha).

Acknowledgments

C.Z. reconhece o apoio do programa cientista clínico da faculdade de medicina da Universidade de Tübingen. U.Z. reconhece o apoio da Fundação alemã de investigação (subvenção ZI 542/7-1). T.O.B. reconhece o apoio da Fundação alemã de investigação (subvenção BE 6091/2-1). J.O.N. reconhece o apoio da Academia da Finlândia (decisões n º 294625 e 306845). Os autores reconhecem o apoio do fundo de publicação de acesso aberto da Universidade de Tübingen.

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

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