Вилучення візуально викликаних потенціалів з даних ЕЕГ, записаних під час транскраніального магніту, керованого fMRI
Резюме
У цій статті описаний метод збору та аналізу даних електроенцефалографії (ЕЕГ) під час одночасної транскраніальної магнітної стимуляції (ТМС), керованої активаціями, виявленими функціональною магнітно-резонансною томографією (фМРТ). Описано метод видалення артефактів ТМС та вилучення потенційних пов'язаних з ними подій разом із парадигмою та міркуваннями експериментального проектування.
Анотація
Вступ
Щоб скористатися як просторовою, так і часовою роздільною здатністю, TMS може забезпечити одночасну комбінацію ЕЕГ-TMS. Однак для цього потрібні методи для видалення артефактів, породжених магнітною стимуляцією на ЕЕГ-сигналі. Запропоновано дуже мало офлайн-математичних рішень для видалення артефактів TMS 16,21,22, хоча жоден метод не узгоджений, і жоден метод не може бути оптимальним для всіх експериментальних моделей. Також була розроблена система "відсікання", що складається із схеми зразка та утримання, щоб тимчасово зупинити отримання ЕЕГ під час подачі імпульсу TMS 20. Ця техніка не потребує спеціалізованого обладнання, але не може повністю придушити залишковий артефакт TMS. У цій статті ми опишемо адаптацію методології ЕЕГ-ТМС, розроблену Thut та колегами 19, особливо придатну для досліджень ERP. Цей метод дозволяє надійно витягати ERP, одночасно видаляючи всі залишкові компоненти шуму, спричинені імпульсом TMS. Малюнок 2. Ми продовжуватимемо надавати загальні вказівки щодо успішного експериментального пристрою ЕЕГ-ТМС.
Ще однією проблемою в дослідженнях TMS, розглянутих у цій методичній роботі, є пошук найкращого положення котушки та кута для точного націлювання на бажану ділянку кори. Ми опишемо використання стереотаксичної навігаційної системи COREGISTER на голові обстежуваного із заздалегідь отриманими функціональними МРТ-зображеннями. Хоча навігаційну систему можна використовувати для визначення анатомічно визначених структур головного мозку, кероване орієнтування fMRI є особливо корисним, оскільки для багатьох експериментальних функцій та ефектів точне місце активації неможливо визначити лише з маркерів. Для цих функціональних регіонів, що представляють інтерес (ROI), визначення площі визначається для кожного учасника окремо.
Щоб проілюструвати вищезазначене, ми наведемо приклад дослідження, проведеного нами раніше, в якому ЕЕГ реєстрували одночасно з TMS, керуючись активацією fMRI 7. У цьому дослідженні було проведено подвійну дисоціацію між лицевим LES. хоча ERP для обличчя та тіла ризикує навколо однакових місць затримки та електродів, орієнтування на селективні та тілесні ділянки обличчя, індивідуально визначені в бічній потиличній частці, дозволило нам відокремити нейронні мережі, які недостатньо розтягують кожну реакцію ERP. Нарешті, ми спробуємо дати більш загальну пораду щодо оптимізації запису ЕЕГ при застосуванні TMS.
Потрібна передплата. Будь ласка, порекомендуйте JoVE своєму бібліотекареві.
Протокол
Досвід проходить у дві окремі сесії. Під час першого сеансу виконується функціональний експеримент МРТ (наприклад, вирівнювання функціональної доріжки) для того, щоб визначити бажані цільові області TMS для об'єкта на індивідуальній основі. Потім результати fMRI подаються в стереотаксичну навігаційну систему для точного націлювання на TMS. Другий сеанс відбувається після аналізу даних fMRI, під час якого ЕЕГ реєструється одночасно з TMS. Описаний тут протокол схвалений комітетом з питань етики медичного центру Тель-Авіва Сураскі.
У прикладі, наведеному в цьому документі, дані були проаналізовані за допомогою MATLAB версії 7.7 (R2008b). Для обробки даних fMRI використовувались програмне забезпечення MATLAB для статистичного параметричного картографування (SPM 5) та інструментарій MarsBar для SPM 23.
1. сеанс fMRI та аналіз даних fMRI
2. Підготовка парадигми для експерименту ЕЕГ-ТМС, яка дозволить витягувати ERP
У нижченаведеному розділі описаний метод збору даних ЕЕГ при застосуванні TMS таким чином, що дозволяє надійно і відтворювати вилучення ERP 19. Перевага цієї методики полягає в тому, що вона легко обробляє довготривалий вторинний артефакт TMS і є надійною достатньо навіть для того, щоб дозволити відновлення даних для електродів, розташованих трохи нижче масляної ТМС, де артефакт має найвищу напругу і найдовший термін служби.
3. Налаштування ЕЕГ та системи нейронавігації та проведення експерименту
TMS Точне націлювання на індивідуально визначені рентабельності інвестицій можливе за допомогою стереотаксичної навігаційної системи, що складається з інфрачервоної камери, інфрачервоних датчиків, встановлених на голові учасника, та спеціалізованого програмного забезпечення.
4. Аналіз даних ЕЕГ та обчислення ERP
Потрібна передплата. Будь ласка, порекомендуйте JoVE своєму бібліотекареві.
Репрезентативні результати
Одночасне опитування ЕЕГ-ТМС було використано, щоб виявити, чи не є дисоційованими ERP-реакції облич та тіл, записані на потилично-скроневій шкірі голови. Коли представлені візуальні подразники, значний компонент N1 реєструється в заднобічних ділянках електродів. Зокрема, компонент N1, як правило, важливіший для обличчя та тіла, ніж для інших категорій подразників 8,33. Оцінюючи стимулюючий ефект на обличчя та селективні ділянки головного мозку тіла, визначені за допомогою фМРТ, на їх обличчя та N1-компонент тіла, ми спробували виявити, чи відображаються (принаймні частково) реакції обличчя та N1 тіла, не перекриваючись джерелами, вірніше однакова мережева активність з кількісно різними рівнями активації.
Ми застосували подвійну імпульсну стимуляцію через 60 мс і 100 мс після початку зображення (див., Наприклад, Pitcher та ін., 34, 35), для селективних селективних ділянок обличчя та тіла в латеральній потиличній корі - області потиличної зони (OFA) та простору Екстрастріальне тіло (EBA) (малюнок 4А, див. розділ 1.3 вище для визначення відповідного контрасту fMRI). Дві області стимулювали окремими блоками, тоді як обстежувані розглядали зображення облич та безголових тіл. Результати показують, що стимуляція OFA покращує амплітуду N1 на обличчях, але не на тілі, тоді як стимуляція ABE покращує N1 в тілі, але на обличчях. Малюнок 2B представляє грань N1 до і після залишкового артефакту віднімання TMS, і малюнок 4B показує специфічний вплив TMS на компонент N1 залежно від стимульованої площі.
Ці результати показують, як керований fMRI TMS під час супутнього запису ЕЕГ може застосовуватися для оцінки того, чи є дисоційовані дві (або більше) нейронних мереж, а також для встановлення причинно-наслідкового зв'язку між функціонально визначеною ділянкою мозку та електрофізіологічним сигналом.
p_upload/51063/51063fig3highres.jpg "src ="/files/ftp_upload/51063/51063fig3.jpg "/>Рисунок 3. Стереотаксична навігаційна система. Високий: Встановлення сайтів для реєстрації. З огляду на корегування структурного аналізу голови з положенням голови під час фактичного експерименту, анатомічні орієнтири позначені на зображенні, як зазначено стрілками. Потім розташування в космосі однакових орієнтирів на голові об'єкта передається системі за допомогою спеціалізованого трекера, який виявляється камерою знизу:. Функціональні ділянки мозку можуть бути точно націлені. Активації накладаються на анатомічне зображення, а потрібні ділянки позначаються та записуються. Під час сеансу експериментатор може завантажити заздалегідь визначену область для цілі за допомогою TMS. Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.
Рисунок 4. Репрезентативні результати. Двоімпульсний TMS застосовували або до правого OFA, або до правого EBA, через 60 мсек і 100 мсек після появи зображення обличчя або голови. Здійснено дисоціацію між обличчям-N1 та реакціями організму-N1 (AT) Дві цільові області в репрезентативному предметі; (B) ліворуч - подвійна дисоціація між мережами обличчя та тіла. TMS на OFA покращила відповідь N1 на обличчя, але не на організми, порівняно з TMS на ABE. Зворотна тенденція показана для подразників без голови-тіла. Праворуч - пікова амплітуда N1 облич та тіл після стимуляції OFA, стимуляції ABE та без стимуляції TMS. Смужки помилок представляють SEM. Ці цифри були адаптовані з дозволу Sadeh 7 та ін. Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.
Потрібна передплата. Будь ласка, порекомендуйте JoVE своєму бібліотекареві.
Обговорення
Маючи унікальну здатність на мить порушувати нормальну нервову активність у вибраних регіонах кори в певний час та з досить хорошою просторовою точністю, TMS дозволяє причинно пов’язувати область мозку, стимульовану нейрофізіологічною поведінкою або вимірюванням. У цій статті ми описали метод вимірювання ЕЕГ під час одночасного застосування ТМС, націлювання на визначені функціональні зони кори та застосування аналізу, що дозволяє надійно вимірювати ERP-відповіді. Ми навели приклад з літератури, в якій ТМС використовували в поєднанні з ЕЕГ та фМРТ, щоб дізнатись, чи є дані фМРТ визначені ділянки мозку (тобто OFA та TSA) причинно-наслідковими з реакціями ERP на бажані подразники (тобто обличчя та тіла).
Описана методика віднімання, яка була перевірена 19 і застосована в ряді досліджень 7,26,27, має кілька помітних переваг: вона усуває стійкий залишковий артефакт ТМС, що охоплює часовий інтервал найбільш важливих елементів ERP; він також усуває компоненти артефактів від небажаного, м'язової механіки (електричні перешкоди електродам) та кортикального (наприклад, слухового) походження; і він міцний і надійний навіть у електродах безпосередньо під котушкою або поблизу неї. Зверніть увагу, що лінійний шум також може бути виражений на цих електродах, на додаток до поліпшеної амплітуди імпульсу артефакту TMS, оскільки котушка може торкатися або лежати в безпосередній близькості від електрода або проводів. Методика, проілюстрована тут, дозволяє також витягувати ERP на цих ділянках електродів. Це має першорядне значення, тому що дуже часто викликані відповіді виникають із-за інтересу або поблизу стимульованої зони кори. Крім того, відновлення сигналів з усієї шкіри голови необхідне у випадках, коли потрібні алгоритми реконструкції джерела.
Поєднання таких дослідницьких інструментів, як TMS, ЕЕГ та фМРТ, кожен з яких висвітлює різні аспекти нервової діяльності та атакує подібні питання з різних сторін, є перспективним кроком вперед у пошуку людського пізнання та функції мозку. Можна очікувати, що TMS буде все частіше використовуватися в поєднанні з ЕЕГ для причинно-пізнавальних або поведінкових функцій, пов'язаних з електричною активністю, а також для подальшого вивчення таких напрямків розвитку, як час, коливання мозку та зв'язок, просторова та тимчасова роздільна здатність.
Потрібна передплата. Будь ласка, порекомендуйте JoVE своєму бібліотекареві.
Розкриття інформації
Автори заявляють, що не мають конкуруючих фінансових інтересів.
Подяка
Ми хотіли б подякувати Девіду Пітчеру за його цінний внесок у цей досвід TMS. Це дослідження фінансувалось грантом Інституту Леві-Едерсхайма-Гіттера для картографування мозку від BS, грантом Фонду Вольфсона; гранти 65/08 та 1657-1608 від Ізраїльського наукового фонду та грант на поїздки від програми обміну дослідниками Британської Ради від GY Експеримент проводився в Інституті удосконалених зображень Воля, Тель-Авівський медичний центр Сураскі.