تعيين آثار ما بعد من ثيتا انفجار تحفيز على القشرة السمعية الإنسان مع التصوير الوظيفي

Summary

تجهيز السمعية هو أساس الكلام وتجهيز الموسيقى ذات الصلة. وقد استخدم التنشيط المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) بنجاح لدراسة المعرفي، ونظم الحسية والحركية ولكن نادرا ما تم تطبيق الاختبار ل. نحن هنا TMS التحقيق جنبا إلى جنب مع التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي لفهم التنظيم الوظيفي من القشرة السمعية.

Abstract

Auditory cortex pertains to the processing of sound, which is at the basis of speech or music-related processing¹. However, despite considerable recent progress, the functional properties and lateralization of the human auditory cortex are far from being fully understood. Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) is a non-invasive technique that can transiently or lastingly modulate cortical excitability via the application of localized magnetic field pulses, and represents a unique method of exploring plasticity and connectivity. It has only recently begun to be applied to understand auditory cortical function ².

An important issue in using TMS is that the physiological consequences of the stimulation are difficult to establish. Although many TMS studies make the implicit assumption that the area targeted by the coil is the area affected, this need not be the case, particularly for complex cognitive functions which depend on interactions across many brain regions ³. One solution to this problem is to combine TMS with functional Magnetic resonance imaging (fMRI). The idea here is that fMRI will provide an index of changes in brain activity associated with TMS. Thus, fMRI would give an independent means of assessing which areas are affected by TMS and how they are modulated ⁴. In addition, fMRI allows the assessment of functional connectivity, which represents a measure of the temporal coupling between distant regions. It can thus be useful not only to measure the net activity modulation induced by TMS in given locations, but also the degree to which the network properties are affected by TMS, via any observed changes in functional connectivity.

Different approaches exist to combine TMS and functional imaging according to the temporal order of the methods. Functional MRI can be applied before, during, after, or both before and after TMS. Recently, some studies interleaved TMS and fMRI in order to provide online mapping of the functional changes induced by TMS ^5-7. However, this online combination has many technical problems, including the static artifacts resulting from the presence of the TMS coil in the scanner room, or the effects of TMS pulses on the process of MR image formation. But more importantly, the loud acoustic noise induced by TMS (increased compared with standard use because of the resonance of the scanner bore) and the increased TMS coil vibrations (caused by the strong mechanical forces due to the static magnetic field of the MR scanner) constitute a crucial problem when studying auditory processing.

This is one reason why fMRI was carried out before and after TMS in the present study. Similar approaches have been used to target the motor cortex ^8,9, premotor cortex ¹⁰, primary somatosensory cortex ^11,12 and language-related areas ¹³, but so far no combined TMS-fMRI study has investigated the auditory cortex. The purpose of this article is to provide details concerning the protocol and considerations necessary to successfully combine these two neuroscientific tools to investigate auditory processing.

Previously we showed that repetitive TMS (rTMS) at high and low frequencies (resp. 10 Hz and 1 Hz) applied over the auditory cortex modulated response time (RT) in a melody discrimination task ². We also showed that RT modulation was correlated with functional connectivity in the auditory network assessed using fMRI: the higher the functional connectivity between left and right auditory cortices during task performance, the higher the facilitatory effect (i.e. decreased RT) observed with rTMS. However those findings were mainly correlational, as fMRI was performed before rTMS. Here, fMRI was carried out before and immediately after TMS to provide direct measures of the functional organization of the auditory cortex, and more specifically of the plastic reorganization of the auditory neural network occurring after the neural intervention provided by TMS.

Combined fMRI and TMS applied over the auditory cortex should enable a better understanding of brain mechanisms of auditory processing, providing physiological information about functional effects of TMS. This knowledge could be useful for many cognitive neuroscience applications, as well as for optimizing therapeutic applications of TMS, particularly in auditory-related disorders.

Protocol

وينقسم البروتوكول في دورة لمدة يومين (وليس بالضرورة على التوالي). في اليوم الأول يتكون من الرنين المغناطيسي الوظيفي وكالايزر تتألف مع التشريحية والوظيفية لمسح MR لتعريف لكل مشارك أن تستهدف المناطق التي TMS. في اليوم الثاني يتكون في دورات الرنين المغناطيسي الوظيفي قبل وبعد TMS حيث يتم تطبيق TMS داخل الماسح الضوئي باستخدام لفائف TMS MR خاصة متوافقة (Magstim المحدودة، ويلز، المملكة المتحدة) ونظام المجسم بدون إطار (Brainsight). ويستخدم هذا الأخير لمنصب في لفائف في الوقت الحقيقي على المناطق القشرية TMS بالنسبة لبيانات كل مشارك التشريحية والوظيفية.

1. وكالايزر الدورة

• تبدأ الحصول على صورة عالية الدقة التشريحية من المشاركين الخاص بك.
• ثم، الحصول على صور صدى الوظيفية باستخدام التدرج EPI النبض ونموذج أخذ العينات متفرق من أجل تقليل أي تأثير أو إخفاء BOLD السمعية بسبب الضوضاء MRI المسح ^14،15. في حالتنا، يتم الرنين المغناطيسي الوظيفي من دخلال شهر لحن مهمة التي يتعين على المشاركين تحديد ما إذا كان مرتين متتاليتين 5-علما الألحان هي ^2،16 نفس أو مختلفة. كما يتم تضمين عنصر تحكم السمعية مهمة عدم التمييز، والتي نسمع مواضيع ذات طول متساوية للاثنين من خمسة أنماط تلاحظ، وكلها في نفس الملعب من C5 ويتم طلب للنقر الزر الأيسر في أعقاب التحفيز الثانية. كما يتم إدراج فترات من الصمت بشكل عشوائي من بين التجارب المهمة في كل مرة. في المجموع، وتعرض 72 في التجارب العشوائية أمر: 24 محاكمات التمييز ميلودي، 24 محاكمات السيطرة السمعية و 24 فترات من الصمت، لمدة ما مجموعه 12 ثانية 16 دقيقة.
• تحديد موقع التحفيز باستخدام التشريحية و / أو المعالم الفنية. على المرء أن يكون على علم بأن يقتصر TMS بشأن عمق موقع التحفيز بسبب توهين لقوة الحقل الكهربائي في العمق، ويمكن أن نتوقع للوصول إلى المناطق أعمق من 3 سم ^6،17. A خطوة حاسمة لاستخدام معالم مماثلة لكل جزءicipant، التي يمكن أن تكون صعبة بسبب الاختلافات في التشريح ووظائف بين المشاركين. هنا، ونحن استهداف التلفيف هيشل كل مشارك في، وتقع المعالم التشريحية باستخدام كل والوظيفية. نحن استخدام أقنعة من التلفيف هيشل المقدمة من الأطالس هارفارد أكسفورد الهيكلية ( http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html يعرف) والهدف TMS بشكل فردي عن طريق ذروة تفعيل التلفيف داخل وهيشل ^2. وبالإضافة إلى ذلك، نعرف أيضا موقف قمة الرأس، والتي سوف تستخدم كموقع للمراقبة للسيطرة غير محددة آثار TMS مثل التحف الصوتية والحسية الجسدية. يتم تعريف قمة الرأس تشريحيا باعتبارها نقطة في منتصف الطريق بين inion وجسر الأنف، ومسافة واحدة من الشقوق وintertragal اليمين واليسار. ويقابل ترتيب الموقع من التحفيز (التلفيف أي هيشل أو قمة الرأس) عبرالأفراد.

2. قبل وبعد التجربة TMS-الرنين المغناطيسي الوظيفي

قبل TMS الرنين المغناطيسي الوظيفي الدورة

• إعداد المشاركين للذهاب مباشرة في الماسح الضوئي. وهذا يشمل إزالة المعادن وملء نموذج MR TMS والفرز.
• بدء اقتناء MR مع التشريحية والوظيفية بالاشعة (مماثلة لتلك التي نفذت في الدورة وكالايزر، انظر القسم 1).

فرملس جراحة التوضيع التجسيمي وTMS في البيئة MRI

ويتألف النظام من جراحة التوضيع التجسيمي فرملس كاميرا الأشعة تحت الحمراء (بولاريس الأطياف)، وبعض الأدوات وبتتبع (Brainsight) المستخدمة لإجراءات التسجيل والكمبيوتر. يقع الكمبيوتر خارج الغرفة الماسح الضوئي، ولكن وضعه على مدخل غرفة الماسح الضوئي ويتم الاحتفاظ فتحت الباب الماسح الضوئي أثناء تطبيق TMS. وبتتبع الأدوات هي MR متوافق، وكذلك ترايبود (محلية الصنع) دعم كاميرا الأشعة تحت الحمراء وهي الerefore المستخدمة داخل الغرفة الماسح الضوئي. الكاميرا الأشعة تحت الحمراء ليست MR-متوافق، وبالتالي يتم وضع داخل غرفة الماسح الضوئي، الماسح الضوئي بالقرب من الباب في حوالي مترين من السرير الماسح الضوئي (انظر المناقشة لإجراء السلامة). الذي يوجد فيه نظام TMS مشجعا في غرفة مجاورة للغرفة الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي. نحن نستخدم التصوير بالرنين المغناطيسي لفائف TMS متوافق تقع داخل غرفة الماسح الضوئي ومتصلا نظام TMS عبر كابل من خلال 7-م أنبوب RF عامل تصفية.

• تحميل الصور الخاص بك مشارك التشريحية والوظيفية والأهداف التحفيز في حزمة البرامج المجسم (مثل Brainsight). هنا، فإننا سوف تستهدف في التلفيف Heschl اليمين.
• بعد الاستحواذ قبل TMS الرنين المغناطيسي الوظيفي، وإزالة الجزء العلوي رئيس MR فائف من لفائف الرأس 32-قناة (في حالة استخدام الماسح الضوئي 3T سيمنز والتكوين لفائف الرأس 32-قناة).
• المقبل، تنزلق المشارك على السرير الماسح الضوئي.
• إصلاح عقال وتعقب مجموعة على participالنملة الرأس.
• تحميل الذراع متعددة صوتها إلى السرير الماسح الضوئي وإصلاح لفائف TMS MR متوافقة على الذراع.
• تحقق من أن كافة بتتبع واللولب في مجال الرؤية للكاميرا. هنا، يتم نقل الكاميرا قليلا إلى الجانب الأيمن من المشاركين لتمكين تتبع أسهل من تشريد لفائف عند استهداف النصف الأيمن.
• معايرة رئيس موضوعك مع أدوات جراحة التوضيع التجسيمي (أي أداة المؤشر). يتم ذلك عن طريق عدة معالم coregistering على رأس المشاركين (على سبيل المثال في حالتنا غيض من الأنف، وnasion والوتدة من كلتا الأذنين) مع نفس المعالم على البيانات التشريحية. في هذا الإجراء، وهناك حاجة إلى 2 المجربون، واحدة قريبة من رئيس المشارك لوضع أداة المؤشر على رأس المشاركين، والمجرب أخرى عند مدخل غرفة الماسح الضوئي لأداء التسجيل في الكمبيوتر.
• وضع لفائف TMS MR متوافق عرضية لرانه فروة الرأس، وبتتبع الملف الموجهة نحو كاميرا الأشعة تحت الحمراء. لفائف موجه مع مقبض الملف لافتا إلى الوراء وبالتوازي مع ال ² خط الوسط. إصلاح الموقف لفائف باستخدام مسامير على ذراع متعدد صوتها.
• في غرفة مجاورة للماسح التصوير بالرنين المغناطيسي، قم بتشغيل النظام والبدء TMS التحفيز. يتم تطبيق TMS بعد بروتوكول منقوشة، أي مستمرة تحفيز انفجار ثيتا (cTBS)، ويتألف في 3 نبضات في 50HZ، وكرر في ل5Hz 40S. نستخدم كثافة التحفيز ثابتة (41٪) التي حددها الناتج ^18،19 مشجعا. اخترنا هذا البروتوكول فقد تبين لتعديل اللدونة القشرية لمدة تصل إلى 30 دقيقة بعد وقف التحفيز في السكان الأصحاء ^20، (انظر القسم مناقشة لإجراءات السلامة).

بعد TMS الرنين المغناطيسي الوظيفي الدورة

• مرة واحدة التحفيز كاملة، فمن المهم للحصول على العودة إلى الموضوع الماسح الضوئي في أقرب وقت ممكن. إزالة TMS فائف من غرفة الماسح الضوئي، وإزالة الذراع متعددة صوتها. تنزلق رئيس المشارك في لفائف الرأس MR. الماسح الضوئي هو ضمان استعداد وعلى استعداد للذهاب. نصيحتنا هو الحفاظ على الجسم منصة التي أثيرت خلال الدورة TMS كله، وخفض عدد ومدة المسح وكالايزر إلى أدنى حد ممكن.
• لأن تأثيرات rTMS هي عابرة، وينبغي أن الدورة المسح النهائي تبدأ مع الفحص وظيفية. مرة أخرى، أجرينا الرنين المغناطيسي الوظيفي أثناء تشغيل 12-دقيقة من مهمة اللحن.
• بعد الفحص النهائي اكتمال الانتهاء من المسح التشريحية.

3. ممثل النتائج

وتجري التحاليل للبيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي لكلا على حدة الرنين المغناطيسي الوظيفي الدورة السابقة واللاحقة TMS. لكل دورة الرنين المغناطيسي الوظيفي (أي ما قبل وما بعد TMS)، والتناقض بين الألحان ومهمة السيطرة السمعية يظهر المهمة المتعلقة النشاط في تلافيف هيشل اليسار واليمين، تلافيف الزمنية متفوقة، السفلي للتلفيف الجبهي وprecenترال تلافيف (الشكل 1 A، B). لتقييم الاختلافات بين الدورات الرنين المغناطيسي الوظيفي قبل وبعد TMS، ونحن إجراء تحليل عشوائي والنتيجة باستخدام الطالب إقران اختبار t. يتم تحديد أهمية استخدام مجموعات التي حددها عتبة> 2 من الألف إلى الياء وعتبة كتلة تصحيح من P = 0.05. الشكل 1 C يمثل النقيض بعد ناقص قبل cTBS لمشارك واحد. وتشير البيانات إلى أن استهداف cTBS الحق هيشل التلفيف (أسود دائرة) تؤدي إلى زيادة في استجابة الرنين المغناطيسي الوظيفي في القشرة السمعية المقابل (إلى اليسار)، بما في ذلك في التلفيف Heschl اليسار. غادر مواد العزل وتوجد أيضا تغييرات في استجابة الرنين المغناطيسي الوظيفي في التلفيف خلف المركزي لليسار،، والثنائي في القشرة القذالي الوحشي. ومع ذلك، يعتبر أي تغيير كبير في استجابة الرنين المغناطيسي الوظيفي في إطار الملف. وبالإضافة إلى ذلك، يتم تكرار مماثلة مجتمعة TMS-الرنين المغناطيسي الوظيفي بروتوكول لتحفيز قمة الرأس (موقع التحكم). لم المقارنة بين الدورات السابقة واللاحقة الرنين المغناطيسي الوظيفي، مع تطبيق cTBS على قمة الرأس لا تظهر أي significaNT تأثير (البيانات لا تظهر).

الشكل 1. تحليل البيانات الفردية الرنين المغناطيسي الوظيفي ما قبل TMS (A)، بعد الرنين المغناطيسي الوظيفي البيانات TMS (B) وبعد ناقص قبل TMS البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي (C). النتائج A. من التباين التمييز لحن ناقص المحاكمات السيطرة السمعية لمشارك واحد في الدورة الرنين المغناطيسي الوظيفي ما قبل TMS (A) والرنين المغناطيسي الوظيفي في الدورة بعد TMS (B). من اليسار إلى اليمين: المشاهدات المحوري، الاكليلية والسهمي. في كل من (A) و (B)، لفائف TMS تستهدف الحق هيشل التلفيف (أسود دائرة) التي تقع في س = 54، ص = -13، Z = 1 (MNI152 الفضاء قياسي). الرنين المغناطيسي الوظيفي على حد سواء للدورات السابقة واللاحقة TMS، يتم عرض إحداثيات س = -54 في، Y = -13، Z = 1 (MNI152 الفضاء القياسية) لإظهار التغيرات في نصف الكرة المخية الأيسر في موقع التحفيز (التلفيف أي حق هيشل ). النتائج C. من التباين ما بعد ناقص الرنين المغناطيسي الوظيفي دورات ما قبل TMS باستخدام الطالب إقران اختبار t.

Discussion

وصفنا بروتوكول الجمع بين TMS حاليا والرنين المغناطيسي الوظيفي للتحقيق في التنظيم الوظيفي للقشرة السمعية. في المقاطع التالية، وسوف نناقش العوامل المنهجية في الاعتبار عند إجراء مثل هذا النهج.

اقتناء وتوقيت ما بعد الدورة TMS الرنين ال?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
اسم المادة	نوع	شركة
المغناطيسي عبر الجمجمة التحفيز	Magstim سوبر Rapid2 مشجعا، السريع-2 زائد واحد وحدة	Magstim المحدودة، ويلز، المملكة المتحدة
لفائف التحفيز المغناطيسي لل	MRI متوافق مع 70 ملم من الرقم ثمانية ولفائف	Magstim المحدودة، ويلز، المملكة المتحدة
التصوير بالرنين المغناطيسي	3-T الماسح الضوئي الثلاثي سيمنز، لفائف رئيس قناة 32-	سيمنز، وشركة، ألمانيا
فرملس جراحة التوضيع التجسيمي	Brainsight	مؤسسة بحوث المارقة، مونتريال، كندا
نظام القياس البصرية	بولاريس الأطياف	شركة شمال الرقمية، أونتاريو، كندا
متعددة صوتها الذراع لفائف حامل	معيار	Hybex Innovatالأيونات شركة، أنجو، كندا
سماعات إدراج MRI-متوافق	Sensimetrics، الموديل S14	Sensimetrics شركة، MA، الولايات المتحدة الأمريكية