Cartographie des séquelles de Theta Burst Stimulation sur le cortex auditif humain à l'imagerie fonctionnelle

Résumé

Traitement auditif est à la base de la parole et de la musique liés transformation. Stimulation magnétique transcrânienne (TMS) a été utilisée avec succès pour étudier cognitifs, systèmes sensoriels et moteurs, mais a rarement été appliquée à l'audition. Ici, nous avons étudié TMS associés à l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle pour comprendre l'organisation fonctionnelle du cortex auditif.

Résumé

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.

Protocole

Le protocole est divisé en une session de deux jours (pas nécessairement consécutifs). La première journée se compose d'une piste composée d'une IRMf anatomique et quelques balayages IRM fonctionnelle pour définir pour chaque participant les zones à cibler avec TMS. Le deuxième jour consiste en des sessions IRMf pré-et post-TMS TMS où est appliquée à l'intérieur du scanner à l'aide d'une bobine spéciale MR compatible TMS (Magstim Ltd, Pays de Galles, Royaume-Uni) et un système stéréotaxique sans cadre (Brainsight). Ce dernier est utilisé à la position en temps réel de la bobine TMS sur les aires corticales par rapport aux données anatomiques et fonctionnelles de chaque participant.

1. Session Localizer

• Commencez par l'acquisition d'une image anatomique haute résolution de votre participant.
• Ensuite, acquérir des images fonctionnelles qui utilisent un écho de gradient EPI impulsion et un paradigme échantillonnage clairsemé afin de minimiser tout effet BOLD ou masquage auditif dû au bruit de numérisation IRM ^14,15. Dans notre cas, l'IRMf est effectuée dendant une tâche mélodie dans laquelle les participants doivent déterminer si deux mandats consécutifs de 5-notes mélodies sont ^l'2,16 identiques ou différents. Une tâche de contrôle non-discrimination auditive est également inclus, dans lesquelles les sujets entendre deux de longueur égale modes de cinq notes, tous à la même hauteur de C5 et demande de cliquer sur le bouton gauche en suivant le second stimulus. Périodes de silence sont également insérés au hasard parmi les essais des tâches dans chaque série. Au total, 72 sont des essais présentés dans un ordre aléatoire: 24 essais de discrimination mélodie, 24 essais de contrôle auditif et 24 périodes de silence, pour une durée totale de 12 min 16 sec.
• Définir le site de stimulation à l'aide anatomiques et / ou fonctionnelles repères. Il faut être conscient que la TMS est limitée en ce qui concerne la profondeur du site de stimulation en raison de l'atténuation de l'intensité du champ électrique en profondeur et ne peut pas s'attendre à atteindre les zones les plus profondes de 3 cm ^6,17. Une étape cruciale consiste à utiliser des repères similaires pour chaque partieicipant, ce qui pourrait s'avérer difficile en raison des différences dans l'anatomie et la fonction entre les participants. Ici, nous ciblons gyrus Heschl à chaque participant, situé utilisant deux repères anatomiques et fonctionnelles. Nous utilisons des masques de gyrus Heschl fournies par les atlas Harvard-Oxford structurelles ( http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html ) et la cible TMS est définie individuellement par le pic de activation dans le gyrus l'Heschl ^2. En outre, nous avons également définir la position du sommet, qui sera utilisé comme site de contrôle pour contrôler les effets non spécifiques des TMS tels que des artefacts acoustiques et somato-sensoriel. Le sommet est défini comme anatomiquement point milieu de l'inion et l'arête du nez, et à égale distance des encoches droite et gauche intertragal. L'ordre du site de stimulation (gyrus dire Heschl ou un sommet) est contrebalancée dansindividus.

2. Pré-et post-TMS expérience IRMf

Pré-session de TMS IRMf

• Préparer le participant pour aller directement dans le scanner. Cela comprend l'enlèvement de métal et de remplir le formulaire de sélection TMS et MR.
• Lancement de l'acquisition MR avec un anatomiques et fonctionnelles quelques balayages (identique à celle effectuée lors de la session de piste, voir la section 1).

Stéréotaxie sans cadre et TMS dans l'environnement IRM

Le système de stéréotaxie sans cadre est composé d'une caméra infrarouge (Polaris Spectra), des outils et des pisteurs (Brainsight) utilisés pour la procédure d'enregistrement et un ordinateur. L'ordinateur est situé à l'extérieur de la chambre scanner, mais placée à l'entrée de la chambre et la porte du scanner scanner est maintenu ouvert pendant l'application TMS. Les outils et les trackers sont compatibles MR, ainsi que le trépied (fait maison) supportant la caméra infrarouge et sont eerefore utilisé à l'intérieur de la chambre du scanner. La caméra infrarouge n'est pas compatible IRM, et par conséquent est positionné à l'intérieur de la salle du scanner, près de la porte du scanner à environ deux mètres de la vitre du scanner (voir la discussion de procédure de sécurité). Le système TMS stimulateur est situé dans une pièce adjacente à la salle du scanner IRM. On utilise une bobine MRI compatible TMS situé à l'intérieur de la chambre et du scanner relié au système TMS par un câble 7-m dans un tube filtre RF.

• Charger des images anatomiques et fonctionnelles votre participant et les objectifs de stimulation dans le logiciel stéréotaxique (Brainsight par exemple). Ici, nous allons cibler le gyrus Heschl de droite.
• Après l'acquisition IRMf pré-TMS, enlever la partie supérieure MR bobine tête de la bobine de tête 32-canal (si vous utilisez le scanner 3T Siemens et la configuration à 32 canaux tête de bobine).
• Ensuite, faites glisser vers le bas le participant sur la vitre du scanner.
• Fixez le serre-tête et jeu de tracker sur la participant la tête.
• Montez le bras à plusieurs articulations à la vitre du scanner et de fixer le MR bobine compatible TMS sur le bras.
• Vérifiez que tous les trackers et de la bobine sont dans le champ de vision de la caméra. Ici, la caméra est légèrement déplacé vers le côté droit du participant pour permettre un suivi plus facile des déplacements de bobine lorsque le ciblage de l'hémisphère droit.
• Calibrer tête de votre sujet avec les outils de stéréotaxie (c.-à-outil pointeur). Cela se fait en plusieurs points de repère coregistering sur la tête du participant (par exemple, dans notre cas, le bout du nez, le nasion et le tragus des deux oreilles) avec les points de repère sur les mêmes données anatomiques. Dans cette procédure, deux expérimentateurs sont nécessaires, l'une près de la tête du participant pour positionner l'outil pointeur sur la tête du participant, et l'expérimentateur autre à l'entrée de la salle du scanner pour effectuer l'enregistrement sur l'ordinateur.
• Placez le MR bobine TMS compatible tangente à til cuir chevelu, et les suiveurs de bobine orientée vers la caméra infrarouge. La bobine est orienté avec la poignée bobine pointant vers l'arrière et parallèle à la ligne médiane ^2. Fixer la position de la bobine à l'aide des vis sur le bras à plusieurs articulations.
• Dans la chambre à côté de l'appareil d'IRM, mettez le système TMS et de commencer la stimulation. TMS est appliquée suivant un protocole motifs, c'est à dire, continue la stimulation thêta burst (CTBS) consistant à 3 impulsions à 50 Hz, répétée à 5Hz pour 40s. On utilise une intensité de stimulation fixe (41%), définie par le stimulateur de sortie ^18,19. Nous avons choisi ce protocole, il a été montré pour moduler la plasticité corticale pour une durée allant jusqu'à 30 minutes après l'arrêt de la stimulation à la santé des populations ^20, (voir la section de discussion pour les procédure de sécurité).

Session de l'IRMf post-TMS

• Une fois que la stimulation est terminée, il est important d'obtenir le sujet dans le scanner le plus tôt possible. Retirez le TMS bobine de la salle du scanner et retirez le bras à plusieurs articulations. Faire glisser la tête du participant dans la bobine tête MR. Assurez votre scanner est préparé et prêt à partir. Notre conseil est de garder la plate-forme corporelle élevée pendant toute la session de TMS, et de réduire le nombre et la durée de l'analyse d'alignement de piste à un minimum.
• Parce que les effets de la SMTr sont transitoires, la session de numérisation définitive devrait commencer par l'analyse fonctionnelle. Encore une fois, nous avons procédé à l'IRMf pendant un cycle de 12 min de la tâche mélodie.
• Après la numérisation finale est terminée, terminez par une analyse anatomique.

3. Les résultats représentatifs

L'analyse des données d'IRMf sont effectuées séparément pour la session IRMf pré-et post-TMS. Pour chaque session IRMf (ie, pré et post-TMS), le contraste entre les mélodies et la tâche de contrôle auditif montre les tâches liées à l'activité de la gauche et la droite gyri Heschl, supérieur gyri temporal, frontal inférieur gyri et precentrale gyri (figure 1 A, B). Pour évaluer les différences entre les sessions IRMf pré-et post-TMS, nous effectuons une analyse aléatoire effet à l'aide de Student t-test apparié. L'importance est déterminée en utilisant les clusters identifiés par az> seuil de 2 et un seuil de cluster corrigée de p = 0,05. Figure 1 C représente le contraste post-moins pré-CTBS pour un seul participant. Les données suggèrent que CTBS ciblant le droit gyrus Heschl (cercle noir) induit une augmentation de la réponse IRMf dans le cortex (à gauche) auditive, y compris le gyrus gauche Heschl. Changements dans la réponse IRMf se trouvent également dans le gyrus post-central gauche, gauche insula et le cortex occipital latéral bilatéral. Toutefois, aucune modification significative de la réponse IRMf est vu sous la bobine. En outre, même combinée TMS-IRMf protocole est répété pour stimuler l'(site témoin) sommets. Comparaison des séances de pré-et post-IRMf avec CTBS appliquées sur le sommet n'a montré aucune significaeffet nt (données non présentées).

Figure 1. Analyse des données individuelles IRMf pré-TMS (A), post-TMS IRMf données (B) et post-moins pré-TMS données IRMf (C). A. Résultats de la discrimination mélodie revanche moins les essais contrôlés auditifs pour un seul participant à la session IRMf pré-TMS (A) et à la session de l'après-TMS IRMf (B). De gauche à droite: coupes axiales, coronales et sagittales. Dans les deux cas (A) et (B), la bobine TMS vise le droit gyrus Heschl (cercle noir) situé à x = 54, y = -13, z = 1 (MNI152 espace standard). Pour les deux sessions de pré-et post-TMS IRMf, les coordonnées sont affichées en x = -54, y = -13, z = 1 (MNI152 espace standard) pour montrer les changements dans l'hémisphère gauche sur le site de stimulation (gyrus droit soit Heschl ). C. Résultats de l'opposition post-moins sessions IRMf pré-TMS à l'aide de Student t-test apparié.

Discussion

Nous décrivons un protocole combinant TMS hors ligne et l'IRMf pour étudier l'organisation fonctionnelle du cortex auditif. Dans les sections suivantes, nous allons étudier les facteurs méthodologiques à considérer lors de la réalisation de ces approches.

Acquisition et le calendrier de l'après-TMS session de l'IRMf

Afin d'acquisition et de contrebalancer les analyses de sessions IRMf pré-et post-TMS

...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Nom du produit	Type	Entreprise
La stimulation magnétique transcrânienne	Magstim super-Rapid2 stimulateur, Rapid-2 Plus One Module	Magstim Ltd, Pays de Galles, Royaume-Uni
Bobine de stimulation magnétique	Compatible avec l'IRM 70 mm figure en huit-bobine	Magstim Ltd, Pays de Galles, Royaume-Uni
Imagerie par résonance magnétique	3-T scanner Trio Siemens, Bobine Head à 32 canaux	Siemens, Inc, Allemagne
La stéréotaxie sans cadre	Brainsight	Rogue Research Inc, Montréal, Canada
Système de mesure optique	Polaris Spectra	Northern Digital Inc, Ontario, Canada
Multi-bras articulé pour porte-bobine	Standard	Hybex Innovations Inc, Anjou, Canada
Écouteurs Insérer compatible avec l'IRM	Sensimetrics, modèle S14	Sensimetrics Corporation, MA, USA