Kartierung der Nachwirkungen der Theta Burst Stimulation auf das menschliche Gehör Cortex mit Functional Imaging

Zusammenfassung

Auditive Verarbeitungs ist die Grundlage von Sprache und Musik-bezogene Verarbeitung. Transkranielle Magnetstimulation (TMS) wurde erfolgreich auf kognitive, sensorische und motorische Systeme zu studieren verwendet, aber selten angewendet worden, um vorzuspielen. Hier untersuchten wir TMS mit funktioneller Magnetresonanztomographie kombiniert, um die funktionelle Organisation des auditorischen Kortex zu verstehen.

Zusammenfassung

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.

Protokoll

Das Protokoll ist in einem Zwei-Tage-Sitzung (nicht unbedingt aufeinanderfolgenden) unterteilt. Der erste Tag besteht aus einem fMRI Localizer mit einer anatomischen und einer funktionellen MR-Scans, um für jeden Teilnehmer die Bereiche mit TMS gezielt auf definieren zusammen. Der zweite Tag besteht in den fMRI-Sitzungen Pre-und Post-TMS, wo TMS Inneren des Scanners mit einem speziellen MR-kompatible TMS Spule (Magstim Ltd, Wales, UK) und eine rahmenlose Stereotaxie System (Brainsight) angewendet wird. Letzteres wird auf die Position in Echtzeit die TMS-Spule auf die kortikale Bereiche in Bezug auf jedes Teilnehmers anatomischen und funktionellen Daten verwendet.

Ein. Localizer Session

• Starten Sie mit dem Erwerb einer hochauflösenden anatomischen Bild des Teilnehmers.
• Dann erwirbt funktionelle Bilder unter Verwendung eines Gradientenecho EPI Puls und Sparse Probenahme Paradigma um jegliche BOLD Effekt oder auditiven Maskierung aufgrund MRI Abtasten Rauschen ^14,15 minimieren. In unserem Fall wird fMRI aus d durchgeführtährend eine Melodie Aufgabe, in der Teilnehmer zu ermitteln, ob zwei aufeinander folgende 5-Noten-Melodien die gleich oder verschieden sind ^2,16. A Nichtdiskriminierung auditiven Regelaufgabe ist ebenfalls enthalten, in denen die Probanden hören zwei gleich langen Mustern aus fünf Tönen, die alle in der gleichen Tonhöhe von C5 und angewiesen werden, die linke Taste nach dem zweiten Reiz klicken. Perioden der Stille auch zufällig unter den Task Versuchen in jedem Lauf eingeschoben. Insgesamt werden 72 Studien in zufälliger Reihenfolge präsentiert: 24 Studien der Melodie Diskriminierung, 24 auditive kontrollierte Studien und 24 Perioden des Schweigens, für eine Gesamtdauer von 12 min 16 sek.
• Definieren Sie die Stimulation Website mit anatomischen und / oder funktionellen Landmarken. Man muss beachten, dass TMS begrenzt ist in Bezug auf die Tiefe der Stimulationsstelle wegen der Dämpfung von der elektrischen Feldstärke in der Tiefe, und kann nicht erwarten, dass Bereiche tiefer als 3 cm ^6,17 erreichen. Ein entscheidender Schritt ist, um ähnlichen Orientierungspunkten für jeden Teil verwendenicipant, was schwierig sein könnte, weil die Unterschiede in der Anatomie und Funktion zwischen den Teilnehmern. Hier streben wir Heschl der Gyrus in jedem Teilnehmer, sich mit beiden anatomischen und funktionellen Landmarken. Wir verwenden Masken Heschl der Gyrus durch die Harvard-Oxford strukturelle Atlanten (vorausgesetzt http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html ) und der TMS Ziel wird einzeln von der Spitze des definierten Aktivierung innerhalb der Heschl der Gyrus ^2. Darüber hinaus definieren wir auch die Scheitelpunkt-Position, die als Kontrolle vor Ort verwendet werden soll, um für unspezifische Effekte von TMS wie akustische und somatosensorischen Artefakte zu steuern. Der Scheitelpunkt ist anatomisch als ein Punkt in der Mitte zwischen dem Inion und der Brücke der Nase definiert, und in gleichem Abstand von den rechten und linken intertragal Kerben. Die Reihenfolge der Website der Stimulation (dh Heschl der Gyrus oder Vertex) über aufgewogenEinzelpersonen.

2. Pre-und Post-TMS fMRI Experiment

Pre-TMS fMRI-Sitzung

• Bereiten Sie die Teilnehmer direkt in den Scanner. Dies schließt das Entfernen von Metall-und Befüllen der TMS-und MR-Screening Form.
• Starten Sie den MR Akquisition mit einer anatomischen und einer funktionellen Scans (identisch mit dem in der Localizer-Sitzung durchgeführt, siehe Abschnitt 1).

Rahmenlose Stereotaxie und TMS in der MRT-Umgebung

Die rahmenlose Stereotaxie-System besteht aus einer Infrarot-Kamera (Polaris Spectra), einige Werkzeuge und trackers (Brainsight) für das Registrierungsverfahren und einem Computer verwendet komponiert. Der Computer außerhalb des Scanners Raum befindet sich aber am Eingang positioniert des Scanners und der Scanner Raum geöffnet wird während der TMS-Anwendung aufbewahrt. Die Werkzeuge und Tracker sind MR-kompatibel, ebenso wie das Stativ (hausgemachte), die die Infrarot-Kamera und sind therefore verwendet das Innere des Scanners Zimmer. Die Infrarot-Kamera ist nicht MR-kompatibel ist, und wird daher im Inneren des Scanners Raum nahe dem Filmkammertür bei etwa zwei Meter von der Scanner-Bett (siehe Diskussion für Sicherheitsverfahren) positioniert. Die TMS-Stimulator ist in einem Raum neben dem Magnetresonanztomographen Raum befinden. Wir verwenden ein MRI kompatiblen TMS Spule im Inneren des Scanners Raum angeordnet und mit dem TMS-System über eine 7-m Kabel durch einen HF-Filterrohr.

• Laden Sie Ihre Teilnehmer anatomische und funktionelle Bilder und die Stimulation Ziele in der stereotaktischen Software-Paket (zB Brainsight). Hier werden wir gezielt den richtigen Heschl der Gyrus.
• Nach dem Pre-TMS fMRI Akquisition, entfernen Sie die obere MR Kopfspule Teil des 32-Kanal-Kopfspule (bei Verwendung des Siemens 3T Scanner und die 32-Kanal-Kopfspule Konfiguration).
• Dann schieben Sie die Teilnehmer auf das Scanner-Bett.
• Befestigen Sie das Kopfband und tracker Satz auf dem participant Kopf.
• Montieren Sie die Mehrgelenkarm um das Scanner-Bett und befestigen Sie den MR-kompatible TMS Spule auf den Arm.
• Stellen Sie sicher, dass alle die Tracker und die Spule in das Blickfeld der Kamera sind. Hier wird die Kamera geringfügig nach rechts verschoben des Teilnehmers, um ein leichteres Nachführung der Spule Verschiebungen ermöglichen, wenn gezielt die rechte Hemisphäre.
• Kalibrieren Ihres Motivs Kopf mit den Stereotaxie Werkzeuge (dh Zeiger-Tool). Dies wird durch coregistering mehrere Orientierungspunkte an der Kopfgröße des Teilnehmers (zB in unserem Fall die Spitze der Nase, der Nasion und dem Tragus beider Ohren) mit den gleichen Landmarken auf den anatomischen Daten durchgeführt. In diesem Verfahren werden zwei Experimentatoren Bedarf ein, die der Teilnehmer den Kopf zu schließen, um den Zeiger-Werkzeug auf der Kopfgröße des Teilnehmers zu positionieren, und das andere Experimentator am Eingang des Scanner-Raum, um die Registrierung auf dem Computer ausführen.
• Positionieren Sie den MR-kompatible TMS-Spule tangential zu ter Kopfhaut, und die Spule Tracker auf den Infrarot-Kamera gerichtet. Die Spule orientiert ist mit der Spule Griff nach hinten und parallel zu der Mittellinie ^2. Fix die Spule Position mit den Schrauben an der Mehrgelenkarm.
• Im Raum neben der MRI-Scanner, auf dem TMS System einschalten und beginnen Stimulation. TMS ist nach einer strukturierten Protokoll, dh, kontinuierliche theta Burst Stimulation (CTBS), bestehend aus 3 Impulsen bei 50Hz, bei 5Hz für 40 wiederholt angewendet. Wir verwenden eine feste Stimulationsintensität (41%) durch den Stimulator Ausgang ^18,19 definiert. Wir entschieden uns für dieses Protokoll, da es sich gezeigt hat zu modulieren kortikale Plastizität für eine Dauer von bis zu 30 min nach Stimulation Aufhören in gesunden Populationen ^20, (siehe Diskussion im Abschnitt Sicherheitsverfahren).

Post-TMS fMRI-Sitzung

• Sobald Stimulation beendet ist, ist es wichtig, den Gegenstand in den Scanner so schnell wie möglich zu erhalten. Entfernen Sie die TMS Spule von der Scanner-Raum, und entfernen Sie die Mehrgelenkarm. Schieben Sie den Teilnehmer den Kopf in den MR-Kopf Spule. Sichern Sie sich Ihren Scanner ist vorbereitet und bereit zu gehen. Unser Rat ist, den Körper-Plattform während der gesamten TMS-Sitzung angehoben zu halten, und verringern Sie die Anzahl und die Dauer der Localizer Scans auf ein Minimum.
• Da die Wirkungen von rTMS vergänglich sind, sollte die endgültige Scan-Sitzung mit dem funktionellen Scanvorgang zu starten. Auch führten wir fMRI während einer 12-min Lauf der Melodie Aufgabe.
• Nach der endgültigen Scan abgeschlossen ist, mit einer anatomischen Scan zu beenden.

3. Repräsentative Ergebnisse

Analysen von fMRI Daten werden getrennt sowohl für die Pre-und Post-TMS fMRI-Sitzung durchgeführt. Für jeden fMRI-Sitzung (dh Pre-und Post-TMS), zeigt der Kontrast zwischen den Melodien und der auditiven Regelaufgabe aufgabenbezogene Aktivität in der linken und rechten Heschl die Gyri temporalis superior Gyri, inferioren frontalen Gyrus und precentrale Gyri (Abbildung 1 A, B). Um Unterschiede zwischen Pre-und Post-TMS fMRI-Sitzungen auszuwerten, führen wir eine random-Wirkungs-Analyse unter Verwendung des Student gepaarten t-Test. Bedeutung wird mittels Cluster az> 2 Schwelle und einer korrigierten Cluster Schwelle von p = 0,05 ermittelt. Abbildung 1 C stellt den Kontrast post-minus pre-CTBS für einen einzelnen Teilnehmer. Die Daten deuten darauf hin, dass CTBS Targeting das Recht Heschl der Gyrus (schwarzer Kreis) eine Erhöhung der fMRI Antwort in der kontralateralen (links) auditorischen Kortex, einschließlich des linken Heschl der Gyrus induziert. Änderungen im fMRI Antwort auch in der linken Gyrus postcentralis gefunden, links Insula, und in der lateralen okzipitalen Kortex bilateral. Es wird jedoch keine signifikante Veränderung in fMRI Reaktion unter der Spule gesehen. Zusätzlich wird ähnlich kombinierten TMS-fMRI Protokoll wiederholt, um den Scheitel (Steuerstelle) zu stimulieren. Vergleich von Pre-und Post-fMRI-Sessions mit CTBS über den Scheitelpunkt angewendet zeigten keine significant-Effekt (Daten nicht gezeigt).

Abbildung 1. Analyse der einzelnen Vor-TMS fMRI-Daten (A), post-TMS fMRI-Daten (B) und Post-minus pre-TMS fMRI-Daten (C). A. Ergebnisse der Kontrast Melodie Diskriminierung minus auditiven kontrollierte Studien für einen einzelnen Teilnehmer in der Pre-TMS fMRI-Sitzung (A) und in der post-TMS fMRI-Sitzung (B). Von links nach rechts: axiale, koronale und sagittale Ansichten. In beiden (A) und (B), das TMS-Spule wird die richtige Ausrichtung der Heschl Gyrus (schwarzer Kreis), der an x ​​= 54, y = -13 und z = 1 (MNI152 Standardleerzeichen). Bei beiden Pre-und Post-TMS fMRI Sitzungen werden Koordinaten an x = -54 angezeigt, y = -13 und z = 1 (MNI152 Standardleerzeichen), um Änderungen in der linken Hemisphäre an der Stelle der Stimulation (dh rechts Heschl den Gyrus zeigen ). C. Ergebnisse des Kontrastes post-minus pre-TMS fMRI Sitzungen mit Student gepaarten t-Test.

Diskussion

Wir beschreiben ein Protokoll kombiniert offline TMS und fMRT, um die funktionelle Organisation des auditorischen Kortex zu untersuchen. In den nächsten Abschnitten werden wir diskutieren, die methodischen Faktoren zu berücksichtigen, wenn die Durchführung solcher Ansatz.

Erwerb und Timing für post-TMS fMRI-Sitzung

Order of Scans Erwerb und Gegengewicht der Pre-und Post-TMS fMRI-Sitzungen

Es ist entscheidend, um ein MR-anato...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Material Name	Typ	Firma
Transkranielle Magnetstimulation	Magstim Super Rapid2 Stimulator, Rapid-2 Plus One Module	Magstim Ltd, Wales, UK
Spule für Magnetstimulation	MRI-kompatiblen 70 mm figure-of-eight-coil	Magstim Ltd, Wales, UK
Kernspintomographie	3-T Siemens Trio Scanner, 32-Kanal-Kopfspule	Siemens, Inc., Deutschland
Rahmenlose Stereotaxie	Brainsight	Rogue Research Inc., Montreal, Kanada
Optisches Messsystem	Polaris Spectra	Northern Digital Inc., Ontario, Kanada
Mehrgelenkarm für Spulenhalter	Standard	Hybex InnovatIonen Inc., Anjou, Kanada
MRI-kompatiblen Einsteckhörern	Sensimetrics, Modell S14	Sensimetrics Corporation, MA, USA