Stimulation cérébrale dépendante de l'état du cerveau avec stimulation magnétique transcrânienne déclenchée par électroencéphalographie en temps réel

Behavior
 

Summary

Cet article décrit la stimulation magnétique transcrânienne déclenchée par électroencéphalographie en temps réel pour étudier et moduler les réseaux du cerveau humain.

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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'effet d'un stimulus pour le cerveau dépend non seulement des paramètres du stimulus, mais aussi de la dynamique de l'activité cérébrale au moment de la stimulation. La combinaison de l'électroencéphalographie (EEG) et de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) dans un système de stimulation dépendant de l'état du cerveau en temps réel permet l'étude des relations entre la dynamique de l'activité cérébrale, l'excitabilité corticale et l'induction de la plasticité . Ici, nous démontrons une méthode nouvellement développée pour synchroniser le moment de la stimulation cérébrale avec la phase des oscillations en cours d'EEG utilisant un système d'analyse de données en temps réel. Ce TMS déclenché par l'EEG en temps réel du cortex moteur humain, lorsque le TMS est synchronisé avec le pic négatif de surface de l'EEG du rythme sensorimoteur alpha (8-14 Hz), a montré des effets différentiels d'excitabilité corticospinal et de plasticité. L'utilisation de cette méthode suggère que l'information en temps réel sur l'état instantané du cerveau peut être utilisée pour l'induction de plasticité efficace. En outre, cette approche permet une stimulation cérébrale personnalisée synchronisée par l'EEG, ce qui peut mener au développement de protocoles thérapeutiques de stimulation cérébrale plus efficaces.

Introduction

TMS est une méthode bien établie pour la stimulation cérébrale non invasive et permet la modulation spécifique de la dynamique du réseau en cours et des études des voies neuronales corticocorticales et corticospinales avec une précision spatiotemporale élevée1. Lors de la stimulation du cortex moteur primaire (M1), la réponse neuronale peut être quantifiée en tant que potentiels évoqués par moteur (MPP), ainsi que les potentiels d'EEG évoqués par TMS. Les eurodéputés peuvent être enregistrés par électromyographie (EMG) des muscles cibles, et leur amplitude reflète l'excitabilité corticospinale lors de la stimulation du cortex moteur primaire2.

Malgré le potentiel unique de la stimulation cérébrale non invasive en tant qu'outil scientifique pour étudier et moduler les réseaux cérébraux chez les participants à l'étude en bonne santé et chez les patients, les études sur le SMT souffrent d'une grande variabilité interindividuelle et interindividuelle. des réponses évoquées3,4,5. Plus précisément, dans les études TMS sur l'excitabilité et la plasticité cortico-rachidiennes, les réponses des PEOA, ainsi que la potentialisation induite à long terme (LTP) ou la dépression à long terme (LTD) comme la plasticité, présentent une grande variabilité intrinsèque, même lorsque les paramètres de stimulation sont soigneusement contrôlés3,4. Cependant, les données provenant d'études sur des animaux indiquent que la variabilité observée des réponses n'est pas attribuable au « bruit aléatoire », mais qu'elle est plutôt liée aux états fluctuants du cerveau au moment de la stimulation6. En conséquence, en combinant TMS avec EEG dans un paradigme de stimulation en temps réel du cerveau-état-dépendant (c.-à-d., TMS déclenché par l'EEG), l'état instantané fluctuant de cerveau peut être employé pour optimiser le timing de stimulus7,8, 9 (en) , 10.

Plusieurs études ont lié la phase instantanée des oscillations neuronales en cours à l'excitabilité neuronale à l'aide de systèmes EEG compatibles TMS11,12. Les amplificateurs EEG modernes peuvent manipuler les grands artefacts électromagnétiques de TMS, et des protocoles expérimentaux de plus en plus bien établis existent pour la combinaison de l'EEG avec TMS13,14 et l'enlèvement post hoc de TMS-connexe EEG artefacts15,16. Tandis que l'influence de l'état de cerveau de préstimulus tel qu'évalué par EEG sur des réponses TMS-évoquées peut être évaluée avec des stimulus aléatoirement appliqués de TMS qui sont triés post hoc17,18, l'application répétitive de TMS dans un cerveau prédéfini l'état exige en temps réel déclenché par l'EEG TMS11,19.

Ici, une configuration TMS déclenchée par eEG par milliseconde-résolution est utilisée pour synchroniser les impulsions TMS avec une phase prédéterminée des oscillations cérébrales en cours11, démontrant que la déviation négative de l'EEG du rythme alpha correspond à une état d'excitabilité corticale (conduisant à de plus grandes amplitudes de MEP) par rapport à la déviation positive d'EEG8,11,12,20. Dans ce manuscrit, nous présentons une méthode pour mener des protocoles TMS déclenchés par l'EEG en temps réel pour étudier les réseaux cérébraux humains.

Protocol

Toutes les procédures expérimentales décrites dans les sections suivantes ont été approuvées par le Comité d'éthique institutionnelle conformément aux lignes directrices de la Déclaration d'Helsinki, et tous les participants ont fourni un consentement éclairé écrit avant l'inscription à l'étude.

1. Participants à l'étude

  1. Recrutement de sujets
    1. Recruter des participants à l'étude en fonction de critères d'inclusion prédéfinis. Filtrer les candidats pour les contre-indications, comme la présence de dispositifs médicaux implantés (p. ex., stimulateur cardiaque), selon les lignes directrices sur l'innocuité du SMT21, ou pour les maladies neurologiques ou psychiatriques et l'utilisation de médicaments qui agissent sur le système nerveux.
    2. Pour les études nécessitant une imagerie par résonance magnétique (IRM), évaluer les participantspotentiels à l'étude pour les contre-indications possibles à l'IRM selon les normes de sécurité radiologique22 . Effectuer une analyse de puissance pour s'assurer que l'échantillon de l'étude est suffisant pour l'analyse statistique.
    3. En option, présélectionner les sujets ayant une oscillation importante de l'intérêt pour le signal extrait par le montage EEG choisi afin d'améliorer la précision de la détection de phase.
      REMARQUE: Dans cette expérience, le Laplacien centré sur C3 (C3 fait référence à la moyenne des électrodes environnantes CP1, CP5, FC1 et FC5) a été utilisé pour extraire le sensorimoteur - rythme avec le sujet au repos et les yeux ouverts. Les sujets présélectionnés étaient des sujets ayant un seul pic dans la bande alpha (8-14 Hz) qui contient 25 % de la puissance totale dans le spectre de puissance de la densité de source actuelle (CSD). Ce critère a permis de s'assurer que l'amplitude d'oscillation était suffisamment grande par rapport au bruit de fond (bon rapport signal-bruit [SNR]) pour permettre à l'algorithme d'estimer la phase instantanée du signal de déclenchement avec une précision suffisante et a augmenté la probabilité d'observer un effet d'excitabilité significatif11,12,28,29,30.
  2. Informations sur le sujet
    1. Fournir aux sujets le formulaire de consentement éclairé lié à l'étude. Fournir des questionnaires imprimés de dépistage de la sécurité des SMT et de l'IRM.
      REMARQUE: Ces documents et le protocole d'étude, ainsi que l'utilisation de données personnelles (p. ex., à partir de questionnaires) et de données humaines identifiables (p. ex., de l'IRM), doivent être approuvés à l'avant par le comité d'éthique (Commission d'examen institutionnel).
    2. Demandez au sujet de remplir les questionnaires de dépistage de la sécurité des SMT et de l'IRM. Obtenir un consentement éclairé écrit pour la participation à l'étude et l'utilisation prévue des données.
    3. Acquérir des données démographiques.
    4. Évaluer la remise des sujets à l'aide d'inventaires standard (p. ex., l'inventaire de la main d'Édimbourg)23.
    5. Introduire le sujet à la procédure de configuration et de stimulation. Assurez-vous que chaque participant est familiarisé avec la sensation de TMS et le tolère bien.
    6. Acquérir l'IRM pour chaque participant avant les séances expérimentales de TMS. Des images mMR anatomiques à tête entière sont nécessaires, y compris le haut du cuir chevelu et les repères anatomiques (c.-à-d. le tragus des deux oreilles), car ceux-ci serviront de points fiducial pour la neuronavigation dans les étapes suivantes de ce protocole.
    7. Planifiez les séances expérimentales selon les spécifications du protocole d'étude (c.-à-d. prendre en compte les « périodes de lavage » entre les expériences).
      REMARQUE: Idéalement, les sujets devraient venir en même temps et le même jour de la semaine dans des protocoles comparant différentes conditions dans plusieurs sessions.
    8. Demandez aux participants de s'abstenir de consommer de l'alcool, de la nicotine ou de la caféine avant les séances expérimentales prévues. Les sujets devraient également avoir eu leur sommeil régulier la nuit avant l'expérience et ne pas être exceptionnellement fatigués.

2. Préparation de configuration

  1. Système EEG capable de flux de données en temps réel
    1. Utilisez un amplificateur EEG/EMG compatible TMS qui peut gérer les pics de tension induits par l'impulsion TMS.
      REMARQUE: Le système d'amplificateur doit rendre un flux de données brutes disponible à une faible latence constante (5 ms) pour un traitement ultérieur par un processeur en temps réel. Dans cette expérience, un amplificateur biosignal de 80 canaux de 24 bits a été utilisé pour les enregistrements EEG et EMG.
    2. Configurer le système d'amplificateur EEG/EMG au filtre à faible passage (p. ex., 0,16 Hz coupé) et abaisser les données de biosignal à 5 kHz à partir du taux d'échantillonnage à l'étape de la tête de l'amplificateur.
    3. Assurez-vous que le système d'amplificateur envoie des paquets de données contenant les canaux pertinents via un protocole de datagram utilisateur en temps réel (UDP) au processeur en temps réel à intervalles constants réguliers de 1 m. Utilisez une fréquence d'échantillonnage élevée (p. ex., 5 kHz) pour capturer les réponses EMG et minimiser le retard du filtre des données de l'EEG.
  2. Dispositif TMS compatible EEG
    1. Utilisez un dispositif TMS qui peut être déclenché à l'extérieur avec un délai fixe et minimal et qui minimise les artefacts dans l'enregistrement eEG simultané (p. ex., le bruit de ligne dans l'EEG à travers le câble de bobine TMS, recharger les artefacts après l'impulsion).
    2. Assurez-vous que la distance entre le stimulateur TMS (y compris le câble de bobine et de bobine) et le système d'enregistrement EEG est maximisée pour réduire les interférences électriques (au moins 1 m). Dans la mesure du possible, éteignez les sources d'interférence électromagnétique telles que les ventilateurs et les moteurs. En outre, assurez-vous que les fils d'enregistrement EEG et EMG sont positionnés et alignés de telle sorte que l'interférence commune annule.
  3. Système de traitement des données EEG en temps réel
    REMARQUE: Le flux de données EEG en temps réel est acquis et analysé à l'aide d'un système de traitement numérique du signal en temps réel, qui déclenche ensuite l'appareil TMS lorsqu'une condition prédéterminée est remplie. Un tel système a été développé sur mesure dans notre laboratoire11 pour mettre en œuvre un algorithme de détection de phase similaire à l'approche de Chen et coll.24 et se compose des étapes suivantes.
    1. Analyser une fenêtre coulissante de données de 500 ms de long (figure1a),pour estimer la phase instantanée de l'oscillation cérébrale cible afin de déclencher progressivement le stimulateur TMS.
    2. Effectuer le filtrage de la fenêtre pour les fréquences d'intérêt (p. ex., entre 9 et 14 Hz pour le rythme sensorimoteur-alpha; Figure 1b). Envisagez d'ajuster les paramètres du filtre à la fréquence de pointe individuelle de l'oscillation cible.
    3. Supprimer toutes les données déformées par les effets de bord de filtrage. Notez qu'il y a un compromis en ce que les filtres plus forts ont des effets de bord plus grands.
    4. Utilisez un modèle autorégressif pour avancer prédire le signal (Yule-Walker, ordre 30; Figure 1c).
    5. Appliquer une transformation Hilbert de la fenêtre de données résultante pour produire le signal analytique, à partir de laquelle la phase instantanée du signal est déterminée en prenant l'angle du nombre complexe au point de temps pertinent.
    6. Estimer le spectre de puissance de l'EEG à partir de la fenêtre coulissante des données dans les bacs de fréquence d'intérêt (p. ex., 9-14 Hz) à l'aide d'un FFT à fenêtre Hann de courte durée.
    7. Lorsque la phase et la puissance répondent à un critère prédéterminé (p. ex., un pic négatif, le seuil d'alimentation minimum), générer une impulsion de sortie numérique (TTL) avec le système en temps réel pour déclencher l'appareil TMS.
  4. Système de neuronavigation
    1. Pour surveiller la position de la bobine et atteindre un ciblage précis et cohérent du SMT à l'intérieur et à travers les séances, utilisez un système de neuronavigation.
      REMARQUE: Un système de caméra infrarouge stéréo est utilisé précisément pour localiser dans l'espace tridimensionnel trackers réfléchissants, qui sont montés sur la tête du sujet et la bobine de stimulation, permettant un positionnement relatif précis de la bobine par rapport au cerveau de l'individu l'anatomie après l'étalonnage et l'enregistrement par IRM. Pour les études à une session et lors de la planification d'analyser uniquement l'EMG et non les réponses EEG à TMS, la navigation basée sur un cerveau standard au lieu d'une IRM individuelle est suffisante.
    2. Chargez les données d'IRM structurelles individuelles dans le logiciel du système de navigation avant de commencer l'expérience pour chaque participant.
  5. Ordinateur de contrôle expérimental
    1. Utilisez un ordinateur de contrôle expérimental connecté au système EEG, au dispositif TMS, à l'appareil en temps réel et au système de neuronavigation.
      REMARQUE: Le logiciel EEG contrôle le système d'amplificateur EEG, définit les paramètres et démarre et arrête l'archivage des données EEG. L'appareil TMS peut être télécommandé pour modifier les paramètres de stimulation (intensité, direction du courant, etc.) avec une boîte à outils de contrôle à distance25.
    2. Contrôlez à distance l'appareil en temps réel pour définir les conditions de déclenchement souhaitées.
      REMARQUE: Le système de neuronavigation peut être télécommandé, par exemple pour cibler différents emplacements de bobine.
    3. Combinez tout ce qui précède dans un script de contrôle expérimental pour permettre l'automatisation des conditions expérimentales et le flux de contrôle.
  6. Électrodes d'enregistrement EEG
    1. Assurez-vous que les bouchons d'enregistrement EEG compatibles TMS avec la disposition d'électrode désirée sont disponibles dans différentes tailles. Mesurez la circonférence de la tête du sujet et préparez le bouchon de taille appropriée.
    2. Gardez à portée de main les matériaux nécessaires à la préparation de l'EEG (p. ex., gels abrasifs et conducteurs, seringues à aiguilles émoussées stériles, etc.).
  7. EMG électrodes d'enregistrement
    1. Gardez la surface EMG électrodes, fils, et les matériaux nécessaires pour la préparation de la peau prêt.

3. Mener l'expérience

  1. Préliminaires
    1. Assurez-vous que les documents requis sont en ordre (le formulaire de consentement à l'étude est signé) et que le participant n'a eu aucun effet négatif depuis la session précédente.
    2. Asseyez le sujet dans une position inclinable confortable pour minimiser le mouvement de la tête pendant l'expérience. Un oreiller sous vide enroulé autour du cou et de la tête inférieure peut aider à soutenir la tête du participant sans causer de tension musculaire supplémentaire (p. ex., comme le ferait un repose-menton).
  2. Préparation eEG et EMG
    1. Placez le bouchon EEG de taille appropriée sur la tête du sujet et placez le bouchon correctement. Évitez les tensions excessives sous le menton pour réduire l'activité crânienne et musculaire du cou qui pourrait contaminer l'EEG26.
    2. Enregistrez le sujet dans le logiciel d'enregistrement EEG.
    3. Préparer les électrodes EEG selon le protocole spécifique au laboratoire (p. ex., appliquer du gel abrasif suivi du gel conducteur).
    4. Vérifiez que les impédances d'électrodes EEG sont inférieures à 5 k.
    5. Pour empêcher le gel conducteur de sécher ou d'être barbouillé aux électrodes adjacentes par n'importe quel mouvement de la bobine TMS, recouvrez le bouchon EEG d'une pellicule plastique. Ensuite, placez un bouchon net au-dessus de la pellicule plastique pour maintenir les câbles dans une position fixe pour réduire la variabilité de l'eEG-artefact, et appliquez du ruban adhésif pour augmenter la stabilité des couches multiples.
    6. Attachez les électrodes EMG de surface sur les muscles cibles après avoir nettoyé et légèrement abrasé la peau (p. ex., utiliser un enregistrement bipolaire du muscle de la main du skinine de l'abducteur droit dans un montage ventre-tendon).
      REMARQUE: Ici, un enregistrement bipolaire du muscle de main de brevis de brevis d'abducteur droit dans un montage de ventre-tendon a été employé. Le placement des électrodes EMG est important car les électrodes de surface enregistrent généralement l'activité de plusieurs muscles sous-jacents.
    7. Vérifier l'appariement correct entre les capteurs EEG réels sur la tête et les traces enregistrées dans le système EEG en tapant sur quelques électrodes EEG pour provoquer des artefacts. Comme une vérification de la santé mentale, vérifier que l'alpha occipital augmente lorsque le participant ferme les yeux.
    8. Inspectez visuellement le signal EEG et EMG en cours à la recherche d'artefacts (p. ex. bruit de ligne, activité musculaire) ou de mauvaises électrodes.
    9. Assurez-vous que le participant reste éveillé et garde les yeux ouverts tout au long de l'expérience pour éviter les oscillations alpha occipitales contaminant le signal.
  3. Préparation de la neuronavigation
    1. Fixez le traceur de tête réfléchissant à la tête du participant avec suffisamment de ruban adhésif pour assurer la stabilité tout au long de l'expérience.
    2. Utilisez l'outil de pointeur pour coenregistrer le modèle de tête avec les repères anatomiques pertinents (par exemple la nasion, le tragi des deux oreilles, les coins des yeux).
    3. Fixez un traceur de bobine à la bobine de stimulation et étalonnez la bobine.
    4. Placez le pointeur à différents points sur la surface de la tête et vérifiez la justesse de la position affichée sur le moniteur du système de neuronavigation.
    5. Repérez les emplacements du capteur EEG pour la co-enregistrement avec l'IRM individuelle.
  4. EEG de base
    1. Démontrez des artefacts eEG typiques au sujet (p. ex., avaler, mâcher, cligner des yeux) et instruire le sujet pour les éviter tout au long de l'expérience. Aussi, demandez-leur d'éviter le serrement de la mâchoire, bâillement, ou parler.
    2. Demandez au sujet de fixer sur un point avec les yeux ouverts et effectuer un court enregistrement de l'eEG état de repos avec les yeux ouverts.
    3. Si nécessaire pour le calcul des filtres en temps réel, enregistrez l'activité eEG supplémentaire pendant les tâches.
  5. Trouver le moteur "hotspot" et la détermination du seuil moteur au repos
    1. Trouver le « point chaud » du moteur (c.-à-d. l'emplacement de stimulation au-dessus duquel le TMS à impulsion unique suscite des eurodéputés bien en forme d'une amplitude comparable à travers les essais) et enregistrer la position correspondante de bobine (y compris l'orientation et l'angulation de bobine) dans le neuronavigation.
    2. Trouver le seuil moteur au repos (RMT) en appliquant des impulsions TMS simples sur le cortex moteur à l'augmentation progressive des intensités de stimulation jusqu'à ce que les députés obtenus ont des amplitudes de pointe à pic de plus de 50 V dans plus de 50% des essais21.
    3. Si disponible, utilisez un script automatisé pour l'estimation des paramètres par des tests séquentiels (PEST), par exemple, suivant une stratégie de probabilité maximale27 qui fournit également une estimation en ligne de l'intervalle de confiance de RMT basé sur l'observé variabilité des réponses uniques et qui nécessite généralement environ 30 impulsions d'essai d'intensité variable adaptative pour obtenir une estimation RMT robuste.
    4. Si ce n'est pas la première session expérimentale, comparez la position de bobine avec la position précédente et comparez le RMT obtenu avec le RMT précédent pour valider la cohérence.
    5. Au besoin, déterminez les intensités de stimulation pour le seuil moteur actif (AMT) ou pour l'amplitude de 1 mV de pointe à la crête de mep en utilisant des procédures standard21.
  6. Préparation finale des participants
    1. Optionnellement, immobiliser la tête du sujet à l'aide d'un oreiller sous vide.
    2. Optionnellement, délivrez un bruit de masquage à l'intermédiaire de bouchons d'oreilles (lors de la planification d'analyser les potentiels d'EEG évoqués par TMS). Sinon, fournir au sujet des bouchons d'oreilles et des écouteurs pour la protection auditive.
    3. En option, alignez et fixez la bobine à la position désirée à l'aide d'un bras mécanique.
  7. Validation de la qualité des données avant l'expérience
    1. Vérifiez que le processeur en temps réel reçoit des données du système EEG.
    2. Vérifiez le signal obtenu à partir du filtre spatial EEG souhaité (p. ex., montage laplacien centré sur C3) pour y décevoir des artefacts évidents.
    3. Confirmez visuellement la qualité du signal EEG, vérifiez s'il y a de mauvaises électrodes, un bruit excessif de ligne et des artefacts musculaires, et ajustez la fenêtre de temps et la mise à l'échelle de l'amplitude sur le logiciel du système EEG pour une inspection visuelle continue pendant l'expérience.
  8. Session expérimentale principale
    1. À moins que l'intensité du stimulateur ne soit télécommandée dans le script expérimental, réglez manuellement l'intensité de stimulation à la valeur désirée (p. ex., 110 % du RMT).
    2. Démarrer le script expérimental pour appliquer des impulsions à différentes phases de l'oscillation cible dans un ordre randomisé.
    3. Pendant l'expérience, surveillez les seuils d'état de déclenchement (seuil de détection des artefacts, seuil de pré-innervation, puissance minimale, etc.).
      REMARQUE: Les stimuli seront déclenchés à intervalles irréguliers, car le processeur en temps réel attend que les conditions de déclenchement se produisent. Cependant, les conditions doivent être fixées de telle sorte que la plupart des stimuli se produisent dans un intervalle prévisible (par exemple, 2-3 s après l'impulsion précédente), et de longues pauses (par exemple, dans ce cas, 'gt;5 s) sont évités car ceux-ci conduiraient à de plus grandes réponses évoquées en raison de la nouveauté.
      1. Vous pouvez également utiliser la stratification post hoc pour supprimer les essais après des intervalles trop longs.
    4. Pour obtenir une puissance statistique suffisante pour différencier les effets de stimulation spécifiques à une phase, acquérir un nombre suffisant d'essais
      REMARQUE: Nous avons généralement choisi 80-120 essais entrelacés par condition20.
    5. Documentez les heures de début et de fin des différentes séances et tenez un registre de tout événement inhabituel.

Representative Results

L'utilisation du TMS déclenché par l'EEG en temps réel dans le cortex moteur primaire humain révèle des effets différentiels d'excitabilité corticospinal et de plasticité. En utilisant le protocole décrit ci-dessus, l'EEG-TMS en temps réel a été appliqué, synchronisant le TMS avec la phase oscillatoire EEG en cours du rythme sensorimoteur endogène dans trois conditions de déclenchement (pic positif, pic négatif et phase aléatoire) dans l'ordre randomisé . Un montage EEG laplacien a été utilisé pour extraire le sensorimoteur - rythme en faisant référence à l'électrode EEG C3 à la moyenne de quatre électrodes environnantes (FC1, FC5, CP1 et CP5). La figure 2a montre le signal moyen d'EEG préstimulant dans les 400 ms avant l'impulsion TMS pour les trois conditions prédéfinies. La moyenne des eurodéputés obtenus à partir des muscles de droite est représentée dans la figure 2b. Ces résultats montrent que la déviation négative de l'EEG du rythme de l'EEG correspond à un état d'excitabilité corticale plus élevé (conduisant à de plus grandes amplitudes d'eurodéputé) par rapport à la déviation positive d'EEG, avec la basse variabilité intertriale de la corticospinal notée effets d'excitabilité, présentés à la figure 2c.

Figure 1
Figure (en) 1 Fois : TMS déclenché par l'EEG, dépendant de l'état du cerveau. Les données brutes de scalp EEG dérivées d'un montage Laplacien à cinq canaux centré sur l'électrode C3 sur le cortex sensorimoteur gauche ont été acquises échantillon par échantillon par un système de traitement numérique du signal en temps réel. (a) Une fenêtre coulissante de 500 ms de données EEG a été traitée par l'algorithme tous les 2 ms. (b) Le signal après le filtrage de bande-passe et l'enlèvement des artefacts de bord. (c) Le signal prévu vers l'avant (trace rouge) basé sur un modèle de prévision autorégressive qui a été calculé à partir de la fenêtre de données. La phase à l'heure zéro ("en ce moment") a été estimée à l'aide d'une transformation Hilbert, la puissance spectrale a été estimée à partir de la fenêtre de données. Le stimulateur TMS a été déclenché quand une phase prédéfinie et l'état d'amplitude spectrale ont été remplies. TMS sur le cortex moteur primaire gauche a eu comme conséquence des eurodéputés dans les muscles de droite enregistrés avec L'EMG de surface. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure (en) 2: Données d'un sujet exemplaire qui a reçu en temps réel déclenché EEG TMS sur la gauche M 1 Fois , ciblant la phase de la 10 Hz sensorimoteur-rythme. Une centaine de stimuli chacun ont été appliqués selon trois conditions de déclenchement de phase (pic positif, pic négatif et phase aléatoire) en combinaison avec un minimum constant de 10 Hz condition de seuil de puissance spectrale, dans l'ordre randomisé, avec un intervalle inter-procès de environ 3 s. Un montage EEG laplacien a été utilisé pour extraire le sensorimoteur - rythme en faisant référence à l'électrode EEG C3 à la moyenne de quatre électrodes environnantes (FC1, FC5, CP1 et CP5). (a) Signal moyen d'EEG préstimulus dans les 400 ms avant l'impulsion TMS pour les trois conditions. (b) La trace moyenne d'EMG du moteur a évoqué le potentiel (MEP) enregistré du muscle de brevis de pollicis d'abducteur droit pour chaque condition. c) Amplitude de pointe à pic d'eurodéputé (en microvolts) de chaque essai au fil du temps, par état de déclenchement. Notez que les eurodéputés sont les plus importants dans l'état de pointe négatif, les plus petits dans l'état de pointe positif, et intermédiaires dans l'état de phase aléatoire. (d) L'amplitude moyenne de l'eurodéputé dans chaque condition est indiquée avec des barres d'erreur illustrant l'erreur standard de la moyenne. Notez qu'un participant ayant un effet particulièrement clair a été sélectionné à des fins d'illustration et que cette taille d'effet n'est pas représentative de la moyenne du groupe. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Discussion

Le TMS déclenché par l'EEG, dépendant de l'état du cerveau, est une nouvelle méthode avec des perspectives uniques en ce qui concerne l'efficacité et la cohérence des effets de stimulation cérébrale qui s'ensuivent8,9,31. Le principal avantage de la méthode est qu'un état cérébral endogène fonctionnellement pertinent peut être spécifiquement ciblé pour déclencher le pouls TMS, induisant potentiellement moins variable et plus durable réponses cérébrales11. TMS répétitif déclenché par l'EEG en temps réel dans la phase négative du rythme sensorimoteur de m1 humain (c.-à-d., l'état d'excitabilité corticospinal accrue, Figure 2) induit une plasticité lTP significativement plus forte (une augmentation à long terme de mep amplitude) par rapport à l'état du cerveau TMS11,20. En plus de son utilité scientifique, l'application de l'EEG-TMS en temps réel aux zones corticales, telles que le cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC), a le potentiel d'augmenter l'efficacité des protocoles thérapeutiques actuels de stimulation cérébrale.

Dans ce manuscrit, nous avons présenté les étapes méthodologiques pour la mise en œuvre de l'EEG-TMS en temps réel. Les exigences fondamentales pour la conduite des expériences avec cette méthode sont, d'une part, l'utilisation d'un système EEG compatible TMS avec une option d'élimination numérique en temps réel et, d'autre part, l'utilisation du traitement du signal en temps réel avec la mise en œuvre d'une détection de phase l'algorithme24, qui extrait le rythme cérébral souhaité (p. ex., le rythme sensorimoteur) du signal EEG enregistré à l'aide de filtres spatiaux (p. ex. filtre laplacien centré sur C3) et applique une stimulation lorsque des conditions présélectionnées (c.-à-d. phase et puissance de le rythme cérébral ciblé) sont atteints. Les performances et la précision de l'algorithme dépendent fortement du SNR de l'enregistrement EEG20. Ainsi, les étapes de préparation de l'EEG du protocole sont cruciales pour atteindre un SNR élevé et assurer un déclenchement précis du SMT, et une présélection des participants peut devoir être envisagée si l'oscillation cible respective n'est pas suffisamment observable avec l'EEG dans chaque individu. En outre, l'utilisation de bras de soutien mécaniques pour les bobines et les oreillers sous vide pour immobiliser la tête du participant est conseillée, afin de minimiser les artefacts en raison de la pression variable de la bobine sur les électrodes.

En ce qui concerne l'application de la méthode EEG-TMS en temps réel dans les paradigmes expérimentaux, la sélection du rythme cérébral d'intérêt peut varier. Ainsi, des ajustements du filtrage sont recommandés pour faciliter l'identification de l'activité cérébrale ciblée. Récemment, plusieurs méthodes de filtrage spatial ont été proposées pour extraire de manière optimale un état du cerveau fonctionnellement pertinent (par exemple, dans l'espace de canal19, avec la densité de source actuelle13, avec les filtres spatiaux locaux11,28 , et avec des filtres individualisés utilisant, par exemple, la décomposition spatiale-spectrale29). Pourtant, jusqu'à présent, aucune méthode sans équivoque n'existe pour extraire des signaux EEG de surface (espace capteur) la phase réelle d'oscillation cérébrale (espace source). Des études futures qui évaluent la correspondance des signaux de surface et d'espace source sont justifiées pour améliorer la précision des algorithmes d'EEG en temps réel.

Alors que dans ce protocole, nous nous sommes concentrés sur le rythme sensorimoteur 8-14-Hz pour démontrer l'influence de la phase instantanée de cette oscillation sur l'excitabilité corticospinal, d'autres oscillations (par exemple, bêta, theta, ou oscillations infralentes) peuvent également jouer un rôle. Cette méthode peut, en principe, être utilisée pour cibler la phase de toute oscillation qui peut être isolée avec un SNR suffisant, y compris les oscillations superposées multiples (par exemple, un cycle négatif d'alpha et un pic positif simultané de gamma).

L'une des principales limites des expériences En temps réel de l'EEG-TMS est que la résolution spatiotemporale en ce qui concerne les sources cérébrales dépend fortement de l'occurrence des artefacts et de la cohérence de la stimulation. Par conséquent, une condition préalable essentielle du protocole est la surveillance de la performance de l'algorithme (c.-à-d., s'assurer que la stimulation se produit lors de la détection de l'activité neuronale et non pas artifactual tout au long de l'expérience). En outre, l'utilisation de la neuronavigation pour un positionnement optimal et cohérent de la bobine de stimulation (en particulier dans les paradigmes expérimentaux utilisant des sites de stimulation tels que le DLPFC) est utile pour réduire la variabilité des réponses en raison de la variabilité position de bobine. Notez également, comme une autre limitation, que spécifiquement sélectionné et configuré EEG / EMG, TMS, et les dispositifs de traitement en temps réel sont nécessaires, ainsi que l'expérience dans la préparation et la conduite des expériences de manière à minimiser les sources externes de réponse variabilité qui peut masquer l'effet de l'état instantané du cerveau.

En conclusion, nous avons démontré un protocole standard pour mener des expériences en temps réel EEG-TMS et introduit une nouvelle méthode pour l'utilisation des états endogènes du cerveau d'intérêt (c.-à-d., phases présélectionnées et puissance d'une oscillation cérébrale endogène ciblée) pour déclencher la stimulation cérébrale. D'autres recherches utilisant la méthode EEG-TMS en temps réel permettront des améliorations méthodologiques et faciliteront l'élaboration de protocoles efficaces pour l'étude et la modulation des réseaux cérébraux humains.

Disclosures

C.Z. et P.C.G. sont partiellement financés par une subvention de transfert de recherche EXIST par le Ministère fédéral allemand de l'économie et de l'énergie (subvention 03EFJBW169). C.Z. déclare un emploi supplémentaire en tant qu'employé à temps partiel de la Fondation pour l'innovation médicale à but non lucratif (Stiftung f'r Medizininnovationen, Tôbingen, Allemagne); une filiale de cette fondation produit le processeur en temps réel utilisé dans cet article (Medical Innovations Incubator GmbH, T-bingen, Allemagne).

Acknowledgments

C.Z. reconnaît le soutien du Programme de clinicien-chercheur de la Faculté de médecine de l'Université de Tebingen. U.Z. reconnaît le soutien de la Fondation allemande de recherche (subvention ZI 542/7-1). T.O.B. reconnaît le soutien de la Fondation allemande de recherche (subvention BE 6091/2-1). J.O.N. reconnaît le soutien de l'Académie de Finlande (décisions no 294625 et 306845). Les auteurs reconnaissent le soutien du Fonds d'édition en libre accès de l'Université de Tebingen.

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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