Stimolazione cerebrale dipendente dallo stato del cervello con stimolazione magnetica transcranica in tempo reale

Behavior
 

Summary

Questo documento descrive la stimolazione magnetica transcranica attivata dall'elettroencefalografia in tempo reale per studiare e modulare le reti cerebrali umane.

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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

L'effetto di uno stimolo al cervello dipende non solo dai parametri dello stimolo, ma anche dalla dinamica dell'attività cerebrale al momento della stimolazione. La combinazione di elettroencefalografia (EEG) e stimolazione magnetica transcranica (TMS) in un sistema di stimolazione dipendente dallo stato cerebrale in tempo reale consente di studiare le relazioni della dinamica dell'attività cerebrale, dell'eccitabilità corticale e dell'induzione della plasticità . Qui, dimostriamo un metodo di recente sviluppo per sincronizzare la tempistica della stimolazione cerebrale con la fase delle oscillazioni EEG in corso utilizzando un sistema di analisi dei dati in tempo reale. Questo TMS in tempo reale attivato da EEG della corteccia motoria umana, quando la TMS è sincronizzata con il picco negativo EEG superficiale del ritmo sensoriale-alfa (8-14 Hz), ha mostrato effetti differenziali di eccitabilità e plasticità corticospinali. L'utilizzo di questo metodo suggerisce che le informazioni in tempo reale sullo stato cerebrale istantaneo possono essere utilizzate per l'induzione di plasticità efficace. Inoltre, questo approccio consente una stimolazione cerebrale personalizzata con sincronizzazione EEG che può portare allo sviluppo di protocolli di stimolazione cerebrale terapeutica più efficaci.

Introduction

Il TMS è un metodo ben consolidato per la stimolazione cerebrale non invasiva e consente la modulazione specifica delle dinamiche di rete in corso e gli studi delle vie neurali corticocorticali e corticospinali con elevata precisione spatiotemporale1. Quando si stimola la corteccia motoria primaria (M1), la risposta neurale può essere quantificata come potenziali evocati dal motore (MEP), così come potenziali EEG evocati da TMS. Gli eurodeputati possono essere registrati mediante elettromiografia (EMG) dei muscoli bersaglio e la loro ampiezza riflette l'eccitabilità corticospinale quando stimola la corteccia motoria primaria2.

Nonostante il potenziale unico della stimolazione cerebrale non invasiva come strumento scientifico per studiare e modulare le reti cerebrali nei partecipanti a uno studio sano e nei pazienti, gli studi Sulla TMS soffrono di una grande variabilità sperimentale e intra e interindividuale delle risposte evocate3,4,5. In particolare, negli studi TMS sull'eccitabilità e la plasticità corticospinali, le risposte dell'eurodeputato, nonché la plasticità indotta di potenziamento a lungo termine (LTP) o depressione a lungo termine (LTD), presentano un'elevata variabilità intrinseca, anche quando i parametri di stimolo sono attentamente controllati3,4. Tuttavia, le prove provenienti da studi sugli animali indicano che la variabilità osservata delle risposte non è attribuibile al "rumore casuale", ma è invece correlata agli stati fluttuanti del cervello al momento della stimolazione6. Di conseguenza, combinando TMS con EEG in un paradigma di stimolazione dipendente dallo stato cerebrale in tempo reale (cioè TMS attivato da EEG), lo stato del cervello istantaneo fluttuante può essere utilizzato per ottimizzare la temporizzazione degli stimoli7,8, 9 (in vie , 10.

Diversi studi hanno raccontato la fase istantanea delle oscillazioni neurali in corso all'eccitabilità neuronale utilizzando sistemi EEG compatibili con TMS11,12. Gli amplificatori EEG moderni sono in grado di gestire i grandi artefatti TMS elettromagnetici e esistono protocolli sperimentali sempre più consolidati per la combinazione di EEG con TMS13,14 e la rimozione post hoc di EEG correlati a TMS manufatti15,16. Mentre l'influenza dello stato cerebrale prestimulo, come valutato da EEG sulle risposte evocate tramite TMS, può essere valutata con stimoli TMS applicati in modo casuale ordinati dopo l'hoc17,18, l'applicazione ripetitiva di TMS in un cervello predefinito richiede TMS11,19in tempo reale attivato da EEG.

In questo caso, viene utilizzata una configurazione TMS personalizzata attivata da EEG a risoluzione di millisecondi per sincronizzare gli impulsi TMS con una fase predeterminata di oscillazioni cerebrali in corso11, dimostrando che la deflessione EEG negativa del ritmo alfa corrisponde a un livello superiore Stato di eccitabilità corticale (che porta ad ampiezza MEP più grandi) rispetto alla deviazione EEG positiva8,11,12,20. In questo manoscritto, presentiamo un metodo per condurre protocolli TMS attivati da EEG in tempo reale per studiare le reti cerebrali umane.

Protocol

Tutte le procedure sperimentali descritte nelle sezioni seguenti sono state approvate dal Comitato Etico Istituzionale seguendo le linee guida della Dichiarazione di Helsinki e tutti i partecipanti hanno fornito un consenso informato scritto prima dell'iscrizione allo studio.

1. Partecipanti allo studio

  1. Reclutamento di soggetti
    1. Reclutare i partecipanti allo studio in base a criteri di inclusione predefiniti. Proiettare candidati per controindicazioni, come la presenza di dispositivi medici impiantati (ad esempio, pacemaker cardiaci), secondo le linee guida di sicurezza TMS21, o per malattie neurologiche o psichiatriche e l'uso di farmaci che agiscono sul sistema nervoso.
    2. Per gli studi che richiedono la risonanza magnetica (RM), valutare i potenziali partecipanti allo studio per eventuali controindicazioni alla risonanza magnetica secondo gli standard di sicurezza radiologica22. Eseguire un'analisi della potenza per assicurarsi che il campione dello studio sia sufficiente per l'analisi statistica.
    3. Facoltativamente, preselezionare i soggetti con un'oscillazione prominente di interesse nel segnale estratto dal montaggio EEG scelto al fine di migliorare l'accuratezza del rilevamento di fase.
      NOT: In questo esperimento, il Laplaciano C3 centrato (C3 riferito alla media degli elettrodi circostanti CP1, CP5, FC1 e FC5) è stato utilizzato per estrarre il ritmo motore a z con il soggetto a riposo e gli occhi aperti. I soggetti selezionati erano soggetti con un solo picco nella banda alfa (8-14 Hz) che contiene >25% della potenza totale nello spettro di potenza della densità della sorgente corrente (CSD). Questo criterio assicurava che l'ampiezza dell'oscillazione fosse sufficientemente grande rispetto al rumore di fondo (buon rapporto segnale-rumore [SNR]) per consentire all'algoritmo di stimare la fase istantanea del segnale di innesco con una precisione sufficiente e aumentala la probabilità di osservare un significativo effetto di eccitabilità11,12,28,29,30.
  2. Informazioni sull'oggetto
    1. Fornire ai soggetti il modulo di consenso informato relativo allo studio. Fornire questionari stampati per lo screening di sicurezza TMS e RM.
      NOT: Questi documenti e il protocollo di studio, nonché l'uso di dati personali (ad esempio, da questionari) e dati umani identificabili (ad esempio, dalla risonanza magnetica), devono essere preapprovati dal comitato etico (Institutional Review Board).
    2. Chiedere all'interessato di compilare i questionari di screening di sicurezza TMS e RM. Acquisire il consenso informato scritto per la partecipazione allo studio e l'uso pianificato dei dati.
    3. Acquisire dati demografici.
    4. Valutare la maneggevolezza del soggetto utilizzando inventari standard (ad esempio, l'Edinburgh Handedness Inventory)23.
    5. Introdurre il soggetto alla procedura di configurazione e stimolazione. Assicurarsi che ogni partecipante abbia familiarità con la sensazione di TMS e la tolleri bene.
    6. Acquisire risonanza magnetica per ogni partecipante prima delle sessioni sperimentali TMS. Sono necessarie immagini MR anatomiche a testa intera, tra cui la parte superiore del cuoio capelluto e punti di riferimento anatomici (cioè il trago di entrambe le orecchie), in quanto queste serviranno come punti fiduciari per la neuronavigazione nelle fasi successive di questo protocollo.
    7. Programmare le sessioni sperimentali in base alle specifiche del protocollo di studio (cioè prendere in considerazione i "periodi di lavaggio" tra gli esperimenti).
      NOT: Idealmente, i soggetti dovrebbero venire alla stessa ora e nello stesso giorno della settimana in protocolli che confrontano condizioni diverse in più sessioni.
    8. Istruire i partecipanti ad astenersi dal consumo di alcol, nicotina, o caffeina prima delle sessioni sperimentali programmate. I soggetti dovrebbero anche aver dormito regolarmente la notte prima dell'esperimento e non essere insolitamente stanchi.

2. Preparazione dell'installazione

  1. Sistema EEG compatibile con data-stream in tempo reale
    1. Utilizzare un amplificatore EEG/EMG compatibile con TMS in grado di gestire i picchi di tensione indotti dall'impulso TMS.
      NOT: Il sistema di amplificazioni deve rendere disponibile un flusso di dati non elaborati a una latenza costante e bassa (<5 ms) per l'elaborazione successiva da parte di un processore in tempo reale. In questo esperimento, è stato utilizzato un amplificatore biosegnale a 80 canali a 24 bit per le registrazioni EEG ed EMG.
    2. Configurare il sistema di amplificazzatore EEG/EMG in base al filtro a passa-basso (ad esempio, taglio a 0,16 Hz) e sovracampionare i dati del biosegnale a 5 kHz dalla frequenza di campionamento nella fase di testa dell'amplificatore.
    3. Assicurarsi che il sistema di amplificatori invii pacchetti di dati contenenti i canali pertinenti tramite un protocollo UDP (User Datagram Protocol) in tempo reale al processore in tempo reale a intervalli costanti regolari di 1 ms. Utilizzare una frequenza di campionamento elevata (ad esempio, 5 kHz) per acquisire le risposte EMG e ridurre al minimo il ritardo del filtro dei dati EEG.
  2. Dispositivo TMS compatibile con EEG
    1. Utilizzare un dispositivo TMS che può essere attivato esternamente con un ritardo fisso e minimo e che riduce al minimo gli artefatti nella registrazione EEG simultanea (ad esempio, il rumore di linea nell'EEG attraverso il cavo della bobina TMS, ricaricando gli artefatti dopo l'impulso).
    2. Assicurarsi che la distanza tra lo stimolatore TMS (compreso il cavo della bobina e della bobina) e il sistema di registrazione EEG sia massimizzata per ridurre le interferenze elettriche (almeno 1 m). Se possibile, spegnere le sorgenti di interferenza elettromagnetica come ventilatori e motori. Inoltre, assicurarsi che i cavi di registrazione EEG ed EMG siano posizionati e allineati in modo che le interferenze comuni si annullino.
  3. Sistema di elaborazione dati EEG in tempo reale
    NOT: Il flusso di dati EEG in tempo reale viene acquisito e analizzato utilizzando un sistema di elaborazione del segnale digitale in tempo reale, che quindi attiva il dispositivo TMS quando viene soddisfatta una condizione predeterminata. Tale sistema è stato sviluppato su misura nel nostro laboratorio11 per implementare un algoritmo di rilevamento di fase simile all'approccio di Chen et al.24 ed è costituito dai seguenti passaggi.
    1. Analizzare una finestra scorrevole di dati, lunga 500 ms (Figura 1a), per stimare la fase istantanea dell'oscillazione cerebrale di destinazione per attivare in modo specifico lo stimolatore TMS.
    2. Eseguire il filtraggio della finestra per le frequenze di interesse (ad esempio, tra 9 e 14 Hz per il ritmo alfa sensomotorio; Figura 1b). Valutare la possibilità di regolare i parametri di filtro in base alla frequenza di picco individuale dell'oscillazione di destinazione.
    3. Rimuovere tutti i dati distorti dagli effetti di bordo filtrante. Si noti che c'è un compromesso in quanto i filtri più forti hanno effetti di bordo più grandi.
    4. Utilizzare un modello autoregressivo per inoltrare la previsione del segnale (Yule-Walker, ordine 30; Figura 1c).
    5. Applicare una trasformazione di Hilbert della finestra di dati risultante per produrre il segnale analitico, da cui viene determinata la fase istantanea del segnale prendendo l'angolo del numero complesso nel punto temporale pertinente.
    6. Stimare lo spettro di potenza EEG dalla finestra scorrevole dei dati nei contenitori di frequenza di interesse (ad esempio, 9-14 Hz) utilizzando una FFT con finestre Hann a breve tempo.
    7. Quando sia la fase che l'alimentazione soddisfano un criterio predeterminato (ad esempio, un picco negativo, la soglia di potenza minima), generano un impulso di uscita digitale (TTL) con il sistema in tempo reale per attivare il dispositivo TMS.
  4. Sistema di neuronavigazione
    1. Per monitorare la posizione della bobina e ottenere un targeting TMS accurato e coerente all'interno e tra le sessioni, utilizzare un sistema di neuronavigazione.
      NOT: Un sistema di telecamere a infrarossi stereo viene utilizzato proprio per individuare in tracker riflettenti spazio tridimensionali, che sono montati sulla testa del soggetto e la bobina di stimolazione, consentendo un posizionamento relativo preciso della bobina rispetto al cervello dell'individuo anatomia dopo la calibrazione e la registrazione della risonanza magnetica. Per gli studi a sessione singola e quando si pianifica di analizzare solo le risposte EMG e non le risposte EEG a TMS, la navigazione basata su un cervello standard invece di una risonanza magnetica individuale è sufficiente.
    2. Caricare i singoli dati strutturali della risonanza magnetica nel software del sistema di navigazione prima di avviare l'esperimento per ogni partecipante.
  5. Computer di controllo sperimentale
    1. Utilizzare un computer di controllo sperimentale collegato al sistema EEG, al dispositivo TMS, al dispositivo in tempo reale e al sistema di neuronavigazione.
      NOT: Il software EEG controlla il sistema di amplificazzatore EEG, imposta i parametri e avvia e interrompe l'archiviazione dei dati EEG. Il dispositivo TMS può essere controllato a distanza per modificare i parametri di stimolazione (intensità, direzione della corrente, ecc.) con un toolbox di controllo remoto25.
    2. Controllare in remoto il dispositivo in tempo reale per impostare le condizioni di trigger desiderate.
      NOT: Il sistema di neuronavigazione può essere telecomandato, ad esempio per indirizzare diverse posizioni della bobina.
    3. Combinare tutto quanto sopra in uno script di controllo sperimentale per consentire l'automazione delle condizioni sperimentali e del flusso di controllo.
  6. Elettrodi di registrazione EEG
    1. Assicurarsi che i tappi di registrazione EEG compatibili con TMS con il layout desiderato degli elettrodi siano disponibili in diverse dimensioni. Misurare la circonferenza della testa del soggetto e preparare il tappo di dimensioni appropriate.
    2. Tenere a portata di mano i materiali necessari per la preparazione EEG (ad esempio, gel abrasivi e conduttivi, siringhe con aghi smussati sterili, ecc.).
  7. Elettrodi di registrazione EMG
    1. Mantenere pronti gli elettrodi EMG, i cavi e i materiali necessari per la preparazione della pelle.

3. Condurre l'esperimento

  1. Preliminari
    1. Assicurarsi che i documenti richiesti siano in ordine (il modulo di consenso allo studio è firmato) e che il partecipante non abbia avuto effetti negativi dalla sessione precedente.
    2. Posizionare il soggetto in una comoda posizione reclinabile per ridurre al minimo il movimento della testa durante l'esperimento. Un cuscino sottovuoto avvolto intorno al collo e alla testa inferiore può aiutare a sostenere la testa del partecipante senza causare ulteriore tensione muscolare (ad esempio, come farebbe un poggiamento del mento).
  2. Preparazione EEG ed EMG
    1. Posizionare il tappo EEG di dimensioni appropriate sulla testa del soggetto e posizionare correttamente il tappo. Evitare l'eccessiva tensione sotto il mento per ridurre l'attività muscolare cranica e del collo che potrebbe contaminare l'EEG26.
    2. Registrare l'oggetto nel software di registrazione EEG.
    3. Preparare gli elettrodi EEG secondo il protocollo specifico del laboratorio (ad esempio, applicare gel abrasivo seguito da gel conduttivo).
    4. Controllare che gli impedimenti degli elettrodi EEG siano al di sotto di 5 k.
    5. Per evitare che il gel conduttore si asciughi o venga spalmato agli elettrodi adiacenti da qualsiasi movimento della bobina TMS, coprire il tappo EEG con un involucro di plastica. Quindi, montare un tappo netto sopra l'involucro di plastica per mantenere i cavi in una posizione fissa per ridurre la variabilità EEG-artifact e applicare il nastro adesivo per aumentare la stabilità degli strati multipli.
    6. Fissare gli elettrodi EMG di superficie sui muscoli bersaglio dopo aver pulito e leggermente abraso la pelle (ad esempio, utilizzare una registrazione bipolare dal destro abgettori brevis muscolo della mano in un montaggio pancia-tendine).
      NOT: Qui, è stata utilizzata una registrazione bipolare dal destro abductor pollicis brevis muscolo della mano in un montaggio pancia-tendine. Il posizionamento degli elettrodi EMG è importante in quanto gli elettrodi superficiali generalmente registrano l'attività da più muscoli sottostanti.
    7. Verificare la corretta corrispondenza tra i sensori EEG effettivi sulla testa e le tracce registrate nel sistema EEG toccando alcuni elettrodi EEG per causare artefatti. Come controllo di sanità mentale, verificare che l'alfa occipitale aumenti quando il partecipante chiude gli occhi.
    8. Ispezionare visivamente il segnale EEG ed EMG in corso per gli artefatti (ad esempio, rumore di linea, attività muscolare) o cattivi elettrodi.
    9. Assicurarsi che il partecipante rimanga sveglio e tenga gli occhi aperti per tutta la durata dell'esperimento per evitare oscillazioni occipitali alfa che contaminano il segnale.
  3. Preparazione della neuronavigazione
    1. Collegare il tracker riflettente alla testa del partecipante con un nastro adesivo sufficiente a garantire la stabilità durante l'esperimento.
    2. Utilizzare lo strumento puntatore per registrare il modello di testa con i punti di riferimento anatomici pertinenti (ad esempio la nasion, il tragi di entrambe le orecchie, gli angoli degli occhi).
    3. Attaccare un localizzatore di bobine alla bobina di stimolazione e calibrare la bobina.
    4. Posizionare il puntatore in punti diversi sulla superficie della testa e verificare la correttezza della posizione visualizzata sul monitor del sistema di neuronavigazione.
    5. Individuare le posizioni dei sensori EEG per la coregistrazione con la rmindividuale individuale.
  4. EEG di base
    1. Dimostrare al soggetto i tipici artefatti EEG (ad esempio, deglutizione, masticazione, lampeggiamento degli occhi) e istruire il soggetto a evitarli durante l'esperimento. Inoltre, chiedi loro di evitare di stringere la mascella, sbadigliare o parlare.
    2. Chiedi al soggetto di fissarlo su un punto con gli occhi aperti ed eseguire una breve registrazione di EEG a riposo con gli occhi aperti.
    3. Se necessario per il calcolo dei filtri in tempo reale, registrare attività EEG aggiuntive durante le attività.
  5. Trovare l'"hotspot" motorio e la determinazione della soglia del motore a riposo
    1. Individuare il motore "hotspot" (cioè la posizione di stimolazione su cui tramite TMS a impulsi singoli suscita deputati ben formati di un'ampiezza comparabilmente coerente tra le prove) e salvare la posizione della bobina corrispondente (compreso l'orientamento della bobina e l'angolazione) sistema di neuronavigazione.
    2. Trovare la soglia del motore a riposo (RMT) applicando singoli impulsi TMS sulla corteccia motoria a intensità di stimolazione gradualmente crescente fino a quando i deputati suscitati hanno ampiezza picco-picco superiori a 50 V in più del 50% delle prove21.
    3. Se disponibile, utilizzare uno script automatizzato per la stima dei parametri mediante test sequenziali (PEST), ad esempio, seguendo una strategia di massima probabilità27 che fornisce anche una stima online dell'intervallo di confidenza di RMT in base al variabilità delle singole risposte e che in genere richiede circa 30 impulsi di prova di intensità adattivamente variabile per ottenere una solida stima di RMT.
    4. Se questa non è la prima sessione sperimentale, confrontare la posizione della bobina con la posizione precedente e confrontare il RMT ottenuto con il RMT precedente per convalidare la coerenza.
    5. Se necessario, determinare l'intensità di stimolazione per la soglia del motore attivo (AMT) o per l'ampiezza MEP picco-picco di 1 mV utilizzando le procedure standard21.
  6. Preparazione del partecipante finale
    1. Facoltativamente, immobilizzare la testa del soggetto utilizzando un cuscino sottovuoto.
    2. Facoltativamente, fornire un rumore di mascheramento attraverso i tappi per le orecchie (quando si pianifica l'analisi dei potenziali EEG evocati da TMS). In caso contrario, fornire al soggetto tappi per le orecchie e cuffie per la protezione dell'udito.
    3. Facoltativamente, allineare e fissare la bobina nella posizione desiderata utilizzando un braccio meccanico.
  7. Convalida della qualità dei dati pre-sperimentazionePre-experiment data quality validation
    1. Verificare che il processore in tempo reale riceva dati dal sistema EEG.
    2. Controllare il segnale ottenuto dal filtro spaziale EEG desiderato (ad esempio, montaggio Laplacian centrato su C3) per gli artefatti evidenti.
    3. Confermare visivamente la qualità del segnale EEG, verificare la presenza di elettrodi difettosi, rumore eccessivo della linea e artefatti muscolari e regolare la finestra temporale e il ridimensionamento dell'ampiezza sul software di sistema EEG per l'ispezione visiva in corso durante l'esperimento.
  8. Sessione sperimentale principale
    1. A meno che l'intensità dello stimolatore non sia controllata a distanza nello script sperimentale, impostare manualmente l'intensità della stimolazione sul valore desiderato (ad esempio, il 110% della RMT).
    2. Avviare lo script sperimentale per applicare impulsi in diverse fasi dell'oscillazione di destinazione in un ordine casuale.
    3. Durante l'esperimento, monitorare le soglie delle condizioni di trigger (soglia di rilevamento artefatto, soglia di pre-innervazione, potenza minima e così via).
      NOT: Gli stimoli verranno attivati a intervalli irregolari, poiché il processore in tempo reale è in attesa che si verifichino le condizioni del trigger. Tuttavia, le condizioni devono essere impostate in modo che la maggior parte degli stimoli si verifichino entro un intervallo prevedibile (ad esempio, 2-3 s dopo l'impulso precedente) e le lunghe pause (ad esempio, in questo caso, >5 s) sono evitate in quanto queste porterebbero a risposte evocate più grandi a causa della novità.
      1. In alternativa, utilizzare la stratificazione post hoc per rimuovere le prove dopo intervalli eccessivamente lunghi.
    4. Per ottenere un potere statistico sufficiente a differenziare gli effetti di stimolazione specifici della fase, acquisire un numero sufficiente di prove
      NOT: In genere abbiamo scelto 80-120 prove con interfoliazione per condizione20.
    5. Documentare l'ora di inizio e di fine delle varie sessioni e tenere un registro di eventuali occorrenze insolite.

Representative Results

L'utilizzo del TMS in tempo reale innescato da EEG nella corteccia motoria primaria umana rivela effetti differenziali di eccitabilità corticospinale e plasticità. Utilizzando il protocollo descritto in precedenza, è stato applicato EEG-TMS in tempo reale, sincronizzando TMS con la fase oscillatoria EEG in corso del ritmo di movimento sensoriale endogeno in tre condizioni di innesco (picco positivo, picco negativo e fase casuale) in ordine casuale . Un montaggio Laplacian EEG è stato utilizzato per estrarre il ritmo z del sensomotore facendo riferimento all'elettrodo EEG C3 alla media di quattro elettrodi circostanti (FC1, FC5, CP1 e CP5). La figura 2a mostra il segnale EEG prestimulo medio nei 400 ms prima dell'impulso TMS per le tre condizioni predefinite. I deputati medi suscitati registrati dai muscoli di destra sono illustrati nella figura 2b. Questi risultati mostrano che la deflessione negativa dell'EEG-ritmo a z corrisponde a uno stato di eccitabilità corticale più elevato (che porta ad ampiezze MEP più grandi) rispetto alla deflessione EEG positiva, con bassa variabilità intertriale del noto corticospinale effetti di eccitabilità, presentato nella Figura 2c.

Figure 1
Figura 1 : il nome del : TMS attivato dallo stato cerebrale EEG. I dati grezzi di Scalp EEG derivati da un montaggio Laplaciano a cinque canali centrato sull'elettrodo C3 sulla corteccia motoria sensomotoria sinistra sono stati acquisiti campione per campione da un sistema di elaborazione del segnale digitale in tempo reale. (a) Una finestra scorrevole di 500 ms di dati EEG è stata elaborata dall'algoritmo ogni 2 ms. (b) Il segnale dopo il filtraggio passa-banda e la rimozione degli artefatti bordo. (c) Il segnale previsionale in avanti (traccia rossa) basato su un modello di previsione autoregressivo calcolato dalla finestra dei dati. La fase al momento zero ("in questo momento") è stata stimata usando una trasformazione di Hilbert, la potenza spettrale è stata stimata dalla finestra di dati. Lo stimolatore TMS è stato attivato quando sono state soddisfatte una fase e una condizione di ampiezza spettrale predefinite. La TMS sulla corteccia motoria primaria sinistra ha portato i deputati europei a muscoli a destra registrati con la superficie EMG. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Dati di un soggetto esemplare che ha ricevuto TMS attivato da EEG in tempo reale sulla sinistra M 1 : il nome del , mirando alla fase del 10 Hz sensomotorio ritmo a z. Un centinaio di stimoli ciascuno è stato applicato in base a tre condizioni di attivazione di fase (picco positivo, picco negativo e fase casuale) in combinazione con una condizione di soglia di potenza minima di 10 Hz, in ordine casuale, con un intervallo interprocessare di circa 3 s. Un montaggio Laplacian EEG è stato utilizzato per estrarre il ritmo z del sensomotore facendo riferimento all'elettrodo EEG C3 alla media di quattro elettrodi circostanti (FC1, FC5, CP1 e CP5). (a) Segnale eEG prestimulo medio nei 400 ms prima dell'impulso TMS per le tre condizioni. (b) Traccia EMG media del motore evocato potenziale (MEP) registrata dal muscolo pollici pollicibrevis rapitodestro per ogni condizione. (c) Ampiezza memetico di picco rispetto a i picchi (in microvolt) di ogni prova nel tempo, per condizione di innesco. Si noti che i deputati europei sono più grandi nella condizione di picco negativo, più piccoli nelle condizioni di picco positive e intermedi nella condizione di fase casuale. (d) L'ampiezza medica in ogni condizione è mostrata con barre di errore che illustrano l'errore standard della media. Si noti che un partecipante con un effetto particolarmente chiaro è stato selezionato a scopo illustrativo e che questa dimensione dell'effetto non è rappresentativa della media di gruppo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

TMS attivato da EEG dipendente dallo stato del cervello è un nuovo metodo con prospettive uniche per quanto riguarda l'efficacia e la coerenza degli effetti di stimolazione cerebrale che ne derivano8,9,31. Il vantaggio principale del metodo è che uno stato endogeno endogeno funzionalmente rilevante può essere specificamente mirato per innescare l'impulso TMS, inducendo risposte cerebrali potenzialmente meno variabili e più durature11. In tempo reale, la TMS ripetitiva attivata dall'EEG nella fase negativa del ritmo z-motor sensoriale dell'Uomo M1 (cioè lo stato di aumento dell'eccitabilità corticospinale, Figura 2) ha indotto plasticità simile a LTP significativamente più forte (un aumento a lungo termine dell'eurodeputato l'ampiezza) rispetto al TMS11,20. Oltre alla sua utilità scientifica, l'applicazione di EEG-TMS in tempo reale alle aree corticali, come la corteccia prefrontale dorsolaterale (DLPFC), ha il potenziale per aumentare l'efficacia degli attuali protocolli di stimolazione cerebrale terapeutica.

In questo manoscritto, abbiamo presentato i passaggi metodologici per l'implementazione di EEG-TMS in tempo reale. Requisiti fondamentali per la conduzione di esperimenti con questo metodo sono, in primo luogo, l'uso di un sistema EEG compatibile con TMS con un'opzione di uscita digitale in tempo reale e, in secondo luogo, l'uso dell'elaborazione del segnale in tempo reale con l'implementazione di un rilevamento di fase algoritmo24, che estrae il ritmo cerebrale desiderato (ad es., sensorimotore a ritmo z) dal segnale EEG registrato utilizzando filtri spaziali (ad esempio, filtro Laplaciano c3-centrato) e applica la stimolazione in caso di condizioni preselezionate (cioè fase e potenza di il ritmo cerebrale mirato). Le prestazioni e la precisione dell'algoritmo dipendono fortemente dalla SNR della registrazione EEG20. Pertanto, le fasi di preparazione dell'EEG del protocollo sono cruciali per ottenere un SNR elevato e garantire un'esatta attivazione del TMS, e potrebbe essere necessario prendere in considerazione una preselezione dei partecipanti se l'oscillazione dei rispettivi obiettivi non è sufficientemente osservabile con EEG in ogni individuo. Inoltre, è consigliabile utilizzare bracci di supporto meccanico per le bobine e i cuscini sottovuoto per immobilizzare la testa del partecipante, al fine di ridurre al minimo gli artefatti a causa della pressione variabile della bobina sugli elettrodi.

Per quanto riguarda l'applicazione del metodo EEG-TMS in tempo reale nei paradigmi sperimentali, la selezione del ritmo cerebrale di interesse può variare. Pertanto, le regolazioni del filtraggio sono consigliabili di facilitare l'identificazione dell'attività cerebrale mirata. Recentemente, sono stati proposti diversi metodi di filtraggio spaziale per estrarre in modo ottimale uno stato cerebrale funzionalemente rilevante (ad esempio, nello spazio canale19, con densità di origine corrente13, con filtri spaziali locali11,28 e con filtri personalizzati che utilizzano, ad esempio, la decomposizione spaziale-spettrale29). Tuttavia, finora, non esiste un metodo inequivocabile per estrarre dai segnali EEG di superficie (spazio del sensore) la fase reale di oscillazione del cervello (spazio di origine). Studi futuri che valutano la corrispondenza dei segnali di superficie e spazio di origine sono garantiti per migliorare la precisione degli algoritmi EEG in tempo reale.

Mentre in questo protocollo ci siamo concentrati sul ritmo a s- sensomotoria a 8-14 Hz per dimostrare l'influenza della fase istantanea di questa oscillazione sull'eccitabilità corticospinale, altre oscillazioni (ad esempio, beta, theta o oscillazioni a infrarossi) possono anche svolgere un ruolo. Questo metodo può, in linea di principio, essere utilizzato per indirizzare la fase per qualsiasi oscillazione che può essere isolata con un SNR sufficiente, comprese più oscillazioni sovrapposte (ad esempio, un ciclo negativo di alfa e un picco positivo simultaneo di gamma).

Una delle principali limitazioni degli esperimenti EEG-TMS in tempo reale è che la risoluzione spatiotemporale rispetto alle fonti cerebrali è fortemente dipendente dalla comparsa di artefatto e dalla consistenza della stimolazione. Pertanto, un prerequisito critico del protocollo è il monitoraggio delle prestazioni dell'algoritmo (cioè, assicurando che la stimolazione si verifichi al rilevamento dell'attività neuronale e non artifeffettiva durante l'esperimento). Inoltre, l'utilizzo della neuronavigazione per un posizionamento ottimale e coerente della bobina di stimolazione (specialmente nei paradigmi sperimentali che utilizzano siti di stimolazione come DLPFC) è utile per ridurre la variabilità della risposta dovuta alla variabilità posizione della bobina. Si noti inoltre, come ulteriore limitazione, che sono necessari dispositivi eEG/EMG, TMS e dispositivi di elaborazione in tempo reale specificamente selezionati e configurati, insieme all'esperienza nella preparazione e nello svolgimento degli esperimenti in modo da ridurre al minimo le fonti esterne di risposta variabilità che può mascherare l'effetto di istantanea stato del cervello.

In conclusione, abbiamo dimostrato un protocollo standard per condurre esperimenti EEG-TMS in tempo reale e introdotto un nuovo metodo per utilizzare gli stati endogeni del cervello di interesse (cioè fasi preselezionate e potenza di un'oscillazione endogena cerebrale mirata) per innescare la stimolazione cerebrale. Ulteriori ricerche con il metodo EEG-TMS in tempo reale consentiranno miglioramenti metodologici e faciliteranno lo sviluppo di protocolli efficaci per lo studio e la modulazione delle reti cerebrali umane.

Disclosures

Il Ministero federale dell'economia e dell'energia (sovvenzione 03EFJBW169). La C.. segnala un'ulteriore occupazione come dipendente a tempo parziale della fondazione per l'innovazione medica senza scopo di lucro (Stiftung fàr Medizininnovationen, Tubingen, Germania); una filiale di questa fondazione sta producendo il processore in tempo reale utilizzato in questo articolo (Medical Innovations Incubator GmbH, Tubinga, Germania).

Acknowledgments

Il programma clinico di scienziati della Facoltà di Medicina dell'Università di Tubinga, è il sostegno di C.. a . L'Unione europea riconosce il sostegno della Fondazione tedesca per la ricerca (concessione di T.O.B. riconosce il sostegno della Fondazione tedesca per la ricerca (sovvenzione BE 6091/2-1). J.O.N. riconosce il sostegno dell'Accademia di Finlandia (decisioni n. 294625 e 306845). Gli autori riconoscono il sostegno dell'Open Access Publishing Fund dell'Università di Tubinga.

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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