映射后的Theta突发刺激对人类听觉皮层功能成像

摘要

听觉处理是基础的语音和音乐相关的处理。经颅磁刺激（TMS）已经被成功地用于研究的认知，感觉和运动系统，但很少有人去试镜。在这里，我们调查了解听觉皮层的功能组织与功能性磁共振成像TMS相结合。

摘要

听觉皮质涉及到的声音的处理，这是在语音或音乐相关的处理¹的基础。然而，尽管有相当的最新进展，人类听觉皮层的功能特性和单侧远没有得到充分的理解。经颅磁刺激（TMS）是一种非侵入性技术，可以短暂或持久地调节大脑皮质的兴奋性，通过局部磁场脉冲的应用，并探索可塑性和连接是一个独特的方法。最近才开始被应用到理解听觉皮质功能^2。

使用TMS的一个重要问题是，刺激的生理后果是难以确定的。虽然许多TMS研究使线圈的目标的区域是受影响的区域的隐含的假设，这不需要的情况下，特别是对于复杂的认知功能WHI的CH取决于许多大脑区域之间的交互^3。这个问题的一个解决办法是用功能性磁共振成像（fMRI）技术，结合TMS。这里的想法是，功能磁共振成像的大脑活动的变化与TMS将提供一个指数。因此，功能磁共振成像将提供一个独立的手段，评估哪些地区受到影响的TMS和它们是如何调制^4。此外，fMRI的允许功能连接的评估，这代表一个遥远的地区的时间之间的耦合措施。因此，它可以是有用的，不仅要测量的净活性调制引起的TMS在给定的位置，而且在何种程度上受TMS的网络性能，通过任何观察到的变化，在功能连接。

有不同的方法结合TMS和功能成像的时间顺序的方法。官能MRI可被施加之前，期间，之后，或者之前和之后都TMS。最近一些交错TMS和功能磁共振成像研究，以提供在线地图功能的变化引起的TMS ^5-7。然而，这在线组合有许多的技术问题，包括静态的TMS线圈在扫描器室，或MR图像形成的过程中的TMS脉冲的影响的存在下，从所得的工件。但更重要的是，由TMS（与标准的使用，因为扫描器的谐振孔相比增加）和增加的TMS的线圈振动（由于MR扫描器的静磁场的强的机械力引起的诱导）的响亮的声噪声研究听觉处理时，构成一个关键的问题。

这是原因之一fMRI的满分，TMS为内标，本研究之前和之后进行。类似的方法已被用于针对运动皮层^8,9，运动前皮层^10，初级躯体感觉皮层^11,12和语言相关领域的¹³，但到目前为止，还没有结合TMS-fMRI研究调查了听觉皮层。这篇文章的目的是提供有关的协议和注意事项要成功地结合这两种神经科学的工具来研究听觉处理的细节。

以前我们发现，在高，低频率（或10 Hz和1赫兹），在听觉皮层调制响应时间（RT）在旋律中的歧视任务^2的重复TMS（经颅磁刺激）。我们还发现，RT调制在听觉功能连接网络评估与使用功能磁共振成像的功能左侧和右侧听觉皮层之间的连接执行任务的过程中，较高的易化作用（ 即降低RT）观察经颅磁刺激。然而，这些研究结果主要是相关性，功能性核磁共振造影前进行经颅磁刺激。在这里，功能磁共振成像进行前，后，立即TMS提供直接的措施听觉皮层的功能组织，并且更具体的塑料重组后发生的神经干预设置由TMS的听觉神经网络。

结合应用在听觉皮层的功能磁共振成像和TMS应该能够更好地理解大脑的听觉处理机制，提供生理功能的影响TMS信息。这方面的知识对于许多认知神经科学应用可能是有用的，以及用于优化的TMS的治疗中的应用，特别是在听觉相关的疾病。

研究方案

该协议为期两天的会议分为（不一定是连续的）。第一天由组成的解剖和功能磁共振扫描，以确定每个参与者的领域有针对性的TMS的功能磁共振成像定位。第二天由功能磁共振成像会议前和后TMS，TMS是应用在扫描仪内使用一个特殊的MR兼容TMS线圈（Magstim有限公司，威尔士，英国）和无框架立体定向系统（Brainsight）。后者用于在皮质区相对于每个参与者的解剖和功能的数据实时TMS线圈的位置。

1。本地化会议

• 开始您的参与者获得高分辨率的解剖图像。
• 然后，获取图像功能，使用梯度回波EPI脉冲和稀疏采样范式，以尽量减少任何大胆的效果或听觉掩蔽由于MRI扫描噪音^14,15。在我们的例子中，功能磁共振成像输出D姚小萍Yao Xiaoping旋律声任务中，参加者，以确定是否两个连续的5个音符旋律是相同的或不同的^2,16。一个非歧视性的听觉控制任务还包括，中，受试者听到两个相同长度的五个音符模式，所有的C5相同的间距，并指示点击鼠标左键后的第二个刺激。的静默期，也是中随机插入的任务在每次运行试验。共72试验随机顺序：24个试验的旋律歧视听觉对照试验，24和24期的沉默，总工期为12分16秒。
• 定义刺激部位解剖和/或功能性的地标。一个人必须知道，TMS是有限的刺激部位的深度，因为深入的电场强度的衰减，并不能期望达到面积大于3厘米^6,17更深。一个重要的步骤就是使用类似的标志性建筑的每个部分icipant，这可能是困难的，因为参与者之间的解剖结构和功能的差异。在这里，我们的目标Heschl的每一个参与者，位于回的解剖和功能的地标。我们所提供的哈佛，牛津结构的地图集（ http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html ）和TMS目标Heschl的回用口罩单独定义的高峰期激活内的Heschl回^2。此外，我们还定义了顶点的位置，将被用作控制现场控制非特异性作用的TMS如声学和体感的工件。顶点被定义作为一个点之间的枕外隆凸尖的鼻梁的中途解剖，并从右侧和左侧的intertragal槽口等距。刺激部位（ 即 Heschl的回或顶点）的顺序之间平衡个人。

2。功能磁共振成像实验前和后TMS

前TMS功能磁共振成像会话

• 准备去直接在扫描仪中的参与者。这包括去除金属和填充TMS和MR筛查形式。
• 启动MR收购的解剖和功能扫描（相同的定位会话中进行，第1节）。

在MRI环境中的无框立体定向和TMS

无框立体定向系统是由一个红外相机（北极星光谱），一些工具和的纤夫（Brainsight）用于登记过程和一个计算机。计算机位于扫描器室之外，但位于扫描器室的入口和扫描仪的门保持打开期间TMS应用程序。的工具和跟踪器是MR兼容，以及支持红外相机三脚架（自制）和第erefore扫描仪的房间内使用。红外线摄像头是不是MR-兼容，因此扫描仪内部的室，扫描仪的门附近的在大约两米，从扫描仪床（见的安全过程​​的讨论）被定位。坐落在一个房间相邻的MRI扫描室的的TMS刺激器系统。我们使用的MRI兼容的TMS线圈位于扫描仪内部的室，并通过一个7-m的电缆连接到TMS系统通过一个RF滤波器管。

• 加载您参与者的解剖和功能影像和刺激目标到立体软件包（ 例如 Brainsight）。在这里，我们将目标瞄准正确的Heschl的回。
• 前TMS功能磁共振成像采集后，去除上层的MR磁头线圈部分的32通道头线圈（如果使用西门子3T扫描仪，32通道头线圈结构）。
• 接下来，向下滑动的参与者扫描仪的病床上。
• 修复的头带和跟踪组的particip蚂蚁的头部。
• 多节臂安装扫描仪的床和修复的MR兼容TMS线圈的手臂上。
• 验证所有的跟踪和线圈是在该领域的摄像头。这里，相机略微移动到右侧的参与者，启用一个更容易跟踪线圈位移定位时的右半球。
• 校准您的拍摄对象的头部立体定向工具（ 即指针工具）。这样做是通过coregistering参与者的解剖的数据具有相同的地标头（ 例如，在我们的例子中的鼻子，鼻根和两个耳朵的耳屏上的前端）上的多个标记。在此过程中，需要两个实验者，1接近到参与者的头部将指针定位工具，在参与者的头部，和其它实验在扫描器室入口，在计算机上执行的登记。
• MR兼容TMS线圈切到T的位置他头皮，和线圈纤夫朝向的红外摄像机。线圈与线圈手柄向后和平行指向中线²取向。使用多节臂的螺丝固定线圈位置。
• 在房间相邻的MRI扫描仪，打开TMS系统，并开始刺激。 TMS图案协议， 即连续THETA突发刺激（CTBS）在3个脉冲组成，在50Hz时为40岁，在5Hz重复应用。我们使用的激励器输出^18,19所定义的一个固定的刺激强度（41％）。我们选择了这个协议，因为它已被证明调节皮层可塑性，持续时间长达30分钟刺激停 ​​止后，在健康人群中^20，（见讨论部分安全程序）。

后TMS功能磁共振成像会议

• 刺激是完成后，重要的是得到的主题放回扫描器尽快。删除的T从扫描室，MS线圈和删除多节臂。参与者的头向后滑动的MR磁头线圈。请确保您的扫描仪的准备，蓄势待发。我们的建议是保持身体平台的整个TMS会话的过程中提出的，和定位扫描的次数和持续时间减少到最低限度。
• 由于影响的经颅磁刺激是暂时的，最终的扫描会话的功能扫描开始。同样，我们进行了功能磁共振成像的旋律工作在一个12分钟的运行。
• 在最终扫描完成后，完成与解剖扫描。

3。代表性的成果

前和后TMS功能磁共振成像会议的功能磁共振成像数据进行分析。对于每个功能磁共振成像会话（ 即前置和后置TMS），对比的旋律和听觉的控制任务，任务相关活动的左，右Heschl的脑回，颞上回，下额叶脑回和precenTRAL回（ 图1 A，B）。为了评估前和后TMS功能磁共振成像会话之间的差异，我们使用学生的配对t检验进行随机效应分析。意义被确定使用识别由AZ> 2阈值和一个群集阈值校正为p = 0.05的群集。 图1 C表示的对比度后减去预CTBS为单个参与者。这些数据表明，针对正确的Heschl回（黑圈）的CTBS诱导增加（左）在对侧听觉皮层的功能磁共振成像响应，包括的左侧Heschl的回。功能磁共振成像反应的变化，也发现在左中央后回，左岛，并在外侧枕叶皮质双侧。然而，没有显着变化在fMRI响应下可见的线圈。此外，类似的合并的TMS-fMRI的协议重复刺激的顶点（控制场址）。比较CTBS施加超过顶点的前和后的fMRI会话没有显示任何标志意义nt的影响（数据未示出）。

图1。分析的个人预TMS功能磁共振成像数据（A），后TMS fMRI数据（B）和后减前TMS的的fMRI数据（C）。 A.结果的对比旋律的歧视减去的听觉控制的试验，一个参与者在预TMS功能磁共振成像会议（A）和后TMS功能磁共振成像（B）会议。从左至右：轴向，冠状面和矢状面的看法。 （A）和（B），TMS线圈的目标是正确的Heschl回（黑圈）位于X = 54，Y = -13，Z = 1（MNI152标准的空间）。前和后TMS功能磁共振成像会议，坐标显示在x = -54，y = -13，z = 1的（MNI152标准空间）显示在左侧半球的变化，在现场的刺激（ 即右Heschl的回）。 C.结果的对比后减前TMS功能磁共振成像会使用学生的配对t检验。

讨论

我们描述了一个协议，结合当前离线TMS和功能磁共振成像调查的听觉皮层的功能组织。在接下来的章节中，我们将讨论的方法时，需要考虑的因素进行这样的方法。

收购及时间后TMS功能磁共振成像会话

顺序扫描采集和平衡的前和后TMS功能磁共振成像会议

关键的是要获得一个MR解剖扫描之前和之后，以TMS为内标，以得到一个鲁棒?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
材料名称	类型	公司
经颅磁刺激	Magstim超级Rapid2刺激，快速加一个模块	Magstim有限公司，威尔士，英国
线圈磁刺激	MRI兼容70 mm图8圈	Magstim有限公司，威尔士，英国
磁共振成像	3-T的西门子三重奏扫描仪，32通道头线圈	西门子公司，德国
无框立体定向	Brainsight	盗贼研究公司，加拿大蒙特利尔
光学测量系统	北极星谱	北数码有限公司，安大略，加拿大
多节臂，线圈架	标准	Hybex创研离子公司，安茹，加拿大
MRI兼容的插入式耳机	型号S14（Sensimetrics，）	Sensimetrics公司，MA，USA