מיפוי לאחר הלוואי של תטא Burst גירוי בקורטקס השמיעתי האנושי בהדמיה תפקודית

Summary

עיבוד שמיעתי הוא בסיס לדיבור ועיבוד הקשורים למוסיקה. גרייה מגנטית (TMS) שמשה בהצלחה ללמוד מערכות קוגניטיביים, חושיות ומוטוריות, אך רק לעתים נדירות יושמה לאודישן. כאן אנו חקרנו TMS בשילוב עם סורק תהודה מגנטי תפקודי כדי להבין את הארגון התפקודי של קליפת המוח השמיעתי.

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

הפרוטוקול מחולק בפגישה בת ימים (לא בהכרח ברציפות). היום הראשון מורכב מאתר fMRI המורכב עם אנטומי ותפקודיות בסריקות MR להגדיר לכל משתתף את האזורים כדי להיות ממוקדים עם TMS. היום השני מורכב בישיבות fMRI מראש ופוסט TMS בי TMS מוחל בתוך הסורק באמצעות MR סליל מיוחד תואם TMS (Magstim בע"מ, ווילס, אנגליה) ומערכת stereotactic frameless (Brainsight). האחרונים משמשים לעמדה בסליל TMS בזמן אמת על אזורים יחסית לנתונים אנטומיים ותפקודיים של כל משתתף בקליפת מוח.

1. מושב Localizer

• התחל עם רכישת תמונה אנטומית ברזולוציה גבוהה של המשתתף שלך.
• ואז, לרכוש תמונות תפקודיות באמצעות שיפוע הד EPI דופק והפרדיגמה דגימה דלילה על מנת למזער את השפעת BOLD או מיסוך שמיעה עקב רעש סריקת MRI ^14,15. במקרה שלנו, fMRI מתבצע דuring משימת מלודיה שבו משתתפים צריכים לקבוע אם שתי מנגינות רצופות 5-לב הן זהים או שונים ^2,16. משימת שליטה שמיעתית אי אפליה כלולה גם, שבו נבדקים לשמוע שני דפוסים שווים באורך של חמישה שטרות, כולם באותו הגובה של C5 ומונחים לחצו על הכפתור השמאלי בעקבות הגירוי השני. תקופות של שתיקה גם מוכנסות באופן אקראי בין ניסויי משימה בכל ריצה. בסך הכל, 72 ניסויים מוצגים בסדר אקראי: 24 ניסויים של אפלית מנגינה, 24 ניסויי בקרה שמיעתית ו24 תקופות של שתיקה, למשך תקופה כוללת של 12 דקות 16 שניות.
• הגדר את האתר באמצעות הגירוי אנטומית ו / או אתרים פונקציונליים. האדם צריך להיות מודע לכך שTMS מוגבל לגבי העומק של אתר הגירוי בגלל ההנחתה של עוצמת השדה החשמלית בעומק, ולא יכול לצפות להגיע לאזורים עמוקים יותר מ 3 סנטימטר ^6,17. שלב חשוב הוא להשתמש בציוני דרך דומים לכל אחד מחלקיםicipant, שעלולה להיות קשה בגלל ההבדלים באנטומיה ותפקוד בין משתתפים. כאן, אנו ממקדים gyrus של Heschl בכל משתתף, הממוקם בשני אתרים אנטומיים ותפקודיים. אנו משתמשים במסכות של gyrus של Heschl מסופק על ידי אטלסי הרווארד-Oxford המבניים (http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html) ויעד TMS מוגדרות בנפרד על ידי השיא הפעלה בתוך הפיתול של Heschl ^2. בנוסף, אנחנו גם להגדיר את מיקום הקודקוד, אשר ישמשו כאתר שליטה לשלוט על השפעות הלא ספציפיות של TMS כגון חפצים אקוסטיים וחושיים. הקודקוד מוגדר אנטומית כנקודת אמצע בין הזיז וגשר האף, ומרחק שווה מחריצי intertragal ימין ועל שמאל. סדר האתר של גירוי (gyrus או הקודקוד של כלומר Heschl) הוא מתאזן על פנייחידים.

2. ניסוי fMRI טרום ופוסט TMS

מפגש fMRI טרום TMS

• הכן את המשתתף כדי לעבור ישירות בסורק. זה כולל הסרה של מתכת ומילוי TMS וצורת הקרנת MR.
• התחל עם רכישת MR אנטומי ותפקודיות בסריקות (זהה לזו שבוצעה במושב מהאתר, ראה סעיף 1).

stereotaxy וTMS ללא מסגרת בסביבת ה-MRI

מערכת stereotaxy frameless מורכבת ממצלמת אינפרא אדום (פולאריס ספקטרה), כמה כלים וגששים (Brainsight) המשמשים להליך הרישום ומחשב. המחשב נמצא מחוץ לחדר הסורק, אבל הוא מוצב בכניסה לחדר הסורק ודלת הסורק נשמרה נפתחה במהלך יישום TMS. הכלים והגששים הם MR תואמים, כמו גם חצובה (תוצרת בית-) תמיכה במצלמת אינפרא האדום והם הerefore משמש בתוך החדר של הסורק. מצלמת אינפרא האדום היא לא MR-תואמת, ולכן ממוקמת בתוך חדר הסורק, ליד דלת הסורק בכשני מטרים ממשטח הסורק (ראה דיון על נהלי בטיחות). מערכת ממריץ TMS נמצאת בחדר סמוך לחדר הסורק MRI. אנו משתמשים בסליל TMS תואם MRI נמצא בתוך החדר והסורק מחובר למערכת TMS באמצעות כבל 7-מ 'דרך צינור מסנן RF.

• לטעון תמונות אנטומיות ותפקודיות של המשתתף שלך ויעדי הגירוי לחבילת תוכנת stereotactic (למשל Brainsight). הנה, אנחנו נהיה מיקוד gyrus של Heschl הנכון.
• לאחר רכישת fMRI מראש TMS, להסיר את החלק העליון MR ראש הסליל של סליל הראש 32-הערוץ (אם משתמש בסורק 3T סימנס ותצורת סליל ראש הערוץ 32).
• בשלב הבא, להחליק את המשתתף על מיטת הסורק.
• תקן סרט הראש ולהגדיר גשש על participהראש של הנמלה.
• הר הזרוע רבת מפרקים למיטת הסורק ולתקן MR סליל TMS התואם על הזרוע.
• ודא כי כל הגששים והסליל נמצאים בשדה ראייה של המצלמה. כאן, המצלמה זזה קצת לצד ימין של המשתתף כדי לאפשר מעקב קל יותר מהתקות הסליל בעת המיקוד לאונה הימנית.
• כייל את ראשו של הנושא שלך עם כלי stereotaxy (כלי מצביע כלומר). הדבר נעשה על ידי coregistering מספר ציוני דרך בראשו של המשתתף (למשל, במקרה שלנו את קצה האף, וnasion הצפיר לעוקץ החיצון של שתי האוזניים) באותם אתרים על הנתונים האנטומיים. בהליך זה, שני הנסיינים נדרשים, אחד קרוב לראשו של המשתתף למצב את כלי המצביע על ראשו של המשתתף, והניסוי האחר בכניסה של חדר הסורק כדי לבצע את הרישום במחשב.
• מקם את סליל TMS התואם MR המשיק לtהוא קרקפת, ועוקב אחר הסליל מכוון למצלמת אינפרא האדום. הסליל הוא בכיוון עם הידית המסובבת פנתה לאחור ובמקביל ^ל2 קו האמצע. לתקן את מיקום הסליל באמצעות ברגים בזרוע רבה המפרקים.
• בחדר הסמוך לסורק MRI, להפעיל את המערכת ולהתחיל גירוי TMS. TMS מיושם בעקבות דוגמת פרוטוקול, כלומר, גירוי פרץ תטא רציף (cTBS) מורכב ב3 פולסים ב50Hz, חזר בשנתי ה -40 ל5Hz. אנו משתמשים בעוצמת גירוי קבועה (41%) שהוגדרה על ידי פלט הממריץ ^18,19. אנחנו בחרנו בפרוטוקול זה כפי שהוכח לווסת פלסטיות קליפת המוח למשך תקופה של עד 30 דקות לאחר הפסקת גירוי באוכלוסיות בריאות ^20, (ראה סעיף דיון לנהלי בטיחות).

מפגש fMRI לאחר TMS

• ברגע שגירוי הוא מוחלט, זה חשוב כדי לקבל בחזרה כפוף לסורק בהקדם האפשרי. הסר את Tסליל MS מחדר הסורק, והסר את הזרוע רבת המפרקים. הסט את ראשו של המשתתף לסליל ראש MR. ודא הסורק שלך הוא ערוך ומוכן ללכת. העצה שלנו היא לשמור על פלטפורמת הגוף העלתה במהלך פגישת TMS כולו, ולהפחית את המספר ומשך סריקות Localizer למינימום.
• בגלל ההשפעות של rTMS הן חולפות, חיבור הסריקה הסופית צריך להתחיל בסריקה הפונקציונלית. שוב, ערך fMRI במהלך ריצה 12-דקות של משימת המנגינה.
• לאחר הסריקה הסופית היא מוחלטת, לסיים עם סריקת אנטומי.

3. נציג תוצאות

ניתוח של נתוני ה-fMRI שנערך בנפרד לשניהם פגישת fMRI לפני ואחרי-TMS. לכל מפגש fMRI (כלומר, לפניו ולאחריו TMS), את הניגוד בין המלודיות ומשימת השליטה השמיעתית מראה פעילות משימה הקשורה בשמאל וימין gyri של Heschl, gyri הזמני מעולה, חזיתית הנח gyri וprecentral gyri (איור 1 א, ב). כדי להעריך את ההבדלים בין הפעלות fMRI לפני ואחרי-TMS, אנו מבצעים ניתוח אפקט אקראי באמצעות סטודנטי מבחן t של זיווג. משמעות נקבעת באמצעות אשכולות שזוהו על ידי az> 2 סף וסף אשכול תקן של p = 0.05. איור 1 C מייצג את-cTBS טרום הניגוד לאחר הניכוי למשתתף יחיד. הנתונים מראים כי cTBS המיקוד הנכון של Heschl gyrus (העיגול שחור) גורם לעלייה בתגובה בfMRI (משמאל) קליפת המוח השמיעתי הנגדית, כולל gyrus של שמאל Heschl. שינויים בתגובת fMRI נמצאים גם ברכס postcentral השמאל, השאירה אינסולה, ובקליפת המוח העורפית לרוחב בילטרלי. עם זאת, לא חל שינוי משמעותי בתגובת fMRI נתפס תחת הסליל. בנוסף, פרוטוקול משולב דומה TMS-fMRI חוזר על עצמו כדי לעורר (אתר שליטה) קודקוד. ההשוואה של פגישות לפני ואחרי-fMRI עם cTBS מיושם על הקודקוד לא הראתה שום significaהשפעת NT (מידע לא מוצג).

איור 1. ניתוח של נתוני פרט מראש TMS fMRI (A), שלאחר TMS fMRI נתונים (B) ונתוני ה-fMRI מראש TMS לאחר הניכוי (C). תוצאות של א אפלית ניגוד מנגינת מינוס ניסויי בקרה שמיעתית למשתתף יחיד בפגישת fMRI מראש TMS () ובמושב fMRI לאחר TMS (B). משמאל לימין: ציריות, עטרה וsagittal תצוגות. בשניהם () ו (ב), סליל TMS הוא המיקוד הנכון של Heschl gyrus (העיגול שחור) ממוקם בx = 54, y = -13, z = 1 (MNI152 חלל סטנדרטי). לשני המפגשים fMRI לפני ואחרי-TMS, קואורדינטות מוצגות בx = -54, y = -13, z = 1 (MNI152 חלל סטנדרטי) כדי להראות שינויים באונה השמאלית באתר של גירוי (כלומר זכותו של gyrus Heschl ). תוצאות ג ניגוד הודעת מינוס פגישות מראש באמצעות TMS fMRI סטודנטי מבחן t של זיווג.

Discussion

אנו מתארים פרוטוקול שילוב TMS לא מקוון וfMRI כדי לחקור את הארגון התפקודי של קליפת המוח השמיעתי. בסעיפים הבאים, אנחנו נדון גורמים מתודולוגיים לשקול בעת ביצוע גישה כזו.

רכישה ועיתוי ל- TMS הודעת הפעלת fMRI

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
שם חומר	סוג	חברה
גרייה מגנטית	Magstim סופר Rapid2 ממריץ, ראפיד-2 פלוס מודול אחד	Magstim בע"מ, ווילס, אנגליה
קויל לגירוי מגנטי	MRI תואם 70 מ"מ דמות של שמונה סליל	Magstim בע"מ, ווילס, אנגליה
דימות בתהודה מגנטית	סורק טריו סימנס 3-T, קויל הראש 32-ערוץ	סימנס, Inc, גרמניה
Stereotaxy ללא מסגרת	Brainsight	Rogue מחקר בע"מ, במונטריאול, קנדה
מערכת מדידה אופטית	פולאריס ספקטרה	צפון הדיגיטלי Inc, אונטריו, קנדה
זרוע רבת מפרקים לבעל סליל	תקן	Hybex innovatיוני Inc, אנז'ו, קנדה
אוזניות תואמות-Insert MRI	Sensimetrics, הדגם S14	Sensimetrics תאגיד, מסצ'וסטס, ארה"ב