Mappatura delle postumi di Theta Burst stimolazione sulla corteccia uditiva umana con imaging funzionale

Riepilogo

Elaborazione uditiva è la base di parlato e musica legati elaborazione. Stimolazione Magnetica Transcranica (TMS) è stato usato con successo per lo studio dei sistemi cognitivi, sensoriali e motori, ma raramente è stata applicata per un provino. Qui abbiamo studiato TMS combinati con risonanza magnetica funzionale per comprendere l'organizzazione funzionale della corteccia uditiva.

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.

Protocollo

Il protocollo è suddiviso in una sessione di due giorni (non necessariamente consecutivi). Il primo giorno consiste in un localizzatore fMRI composto con un anatomica e funzionale scansioni MR definire per ogni partecipante le zone da mirata con TMS. Il secondo giorno consiste in sessioni fMRI pre-e post-TMS in cui si applica TMS all'interno dello scanner con una speciale bobina MR compatibile TMS (Magstim Ltd., Galles, Regno Unito) e un sistema stereotassico frameless (Brainsight). Quest'ultimo è utilizzato in posizione in tempo reale la bobina TMS su aree corticali relativi a dati anatomici e funzionali di ogni partecipante.

1. Localizer sessione

• Inizia con l'acquisizione di una immagine ad alta risoluzione anatomica del partecipante.
• Poi, acquisire immagini funzionali utilizzando un gradiente echo EPI impulso e un paradigma campionamento ridotto, al fine di ridurre gli effetti di BOLD o mascheramento uditivo a causa di rumore scansione MRI ^14,15. Nel nostro caso, fMRI viene effettuata durante un compito melodia in cui i partecipanti devono determinare se due consecutivi 5 note melodie sono uguali o diversi ^2,16. Un compito non discriminazione uditiva di controllo è anche incluso, in cui i soggetti sentono due di uguale lunghezza modelli di cinque note, tutte alla stessa altezza di C5 e viene richiesto di fare clic sul pulsante a sinistra in seguito il secondo stimolo. I periodi di silenzio, sono anche inseriti in modo casuale tra le prove delle attività in ogni seduta. In totale, le prove 72 sono presentati in uno studio randomizzato in ordine: 24 prove di discriminazione melodia, 24 prove di controllo uditivo e 24 periodi di silenzio, per una durata totale di 12 min 16 sec.
• Definire il sito di stimolazione con anatomica e / o punti di riferimento funzionali. Si deve essere consapevoli che TMS è limitato per quanto riguarda la profondità del sito di stimolazione per l'attenuazione del campo elettrico in profondità, e non può aspettarsi di raggiungere le zone più profonde di 3 cm ^6,17. Un passo fondamentale è quello di utilizzare punti di riferimento simili per ogni parteicipant, che potrebbe essere difficile a causa delle differenze di anatomia e la funzione tra i partecipanti. Qui, puntiamo giro Heschl a ciascun partecipante, che si trova con entrambi i punti di riferimento anatomici e funzionali. Usiamo le maschere di giro di Heschl fornite dalle università di Harvard e Oxford atlanti strutturali ( http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html ) e il target TMS è definito individualmente dal picco di attivazione entro il giro di Heschl ^2. Inoltre, si definisce anche la posizione del vertice, che sarà utilizzato come sito di controllo per controllare per effetti non specifici di TMS come artefatti acustici e somatosensoriale. Il vertice è definito anatomicamente come un punto a metà strada tra il inion e il ponte del naso, ed equidistante dalle tacche destro e sinistro intertragal. L'ordine del sito di stimolazione (cioè Heschl di giro o vertice) è controbilanciato attraversoindividui.

2. Pre-e post-TMS esperimento fMRI

Pre-TMS fMRI sessione

• Preparare il partecipante di andare direttamente nello scanner. Ciò include la rimozione di metallo e compilando il TMS e la forma di screening MR.
• Avviare l'acquisizione MR con un anatomico e un scansioni funzionali (identico a quello effettuato nella sessione localizzatore, vedere sezione 1).

Stereotassia Frameless e TMS nell'ambiente MRI

Il sistema di stereotassi senza telaio è composto da una telecamera a infrarossi (Polaris Spectra), alcuni strumenti e inseguitori (Brainsight) utilizzati per la procedura di registrazione e un computer. Il computer si trova fuori della camera scanner, ma posizionato all'ingresso della camera e la porta scanner scanner viene mantenuta aperta durante l'applicazione TMS. Gli strumenti e gli inseguitori sono MR compatibili, così come il treppiede (fatti in casa) a sostenere la telecamera a infrarossi e sono esimoutilizzato erefore all'interno della stanza dello scanner. La telecamera a infrarossi non è MR-compatibile, e quindi è posizionato all'interno della stanza dello scanner, vicino alla porta dello scanner a circa due metri dal piano dello scanner (vedi la discussione per la procedura di sicurezza). Il sistema TMS stimolatore si trova in una stanza adiacente alla sala scanner MRI. Usiamo un MRI coil compatibile TMS situato all'interno della camera scanner e collegato al sistema TMS tramite un 7-m cavo attraverso un tubo filtro RF.

• Caricare immagini anatomiche e funzionali vostro partecipante e gli obiettivi di stimolazione nel pacchetto software stereotassica (Brainsight ad esempio). Qui, ci sarà il giro di mira Heschl di destra.
• Dopo il pre-TMS acquisizione fMRI, rimuovere la parte superiore testa MR bobina del 32 canali bobina testa (se si utilizza lo scanner 3T Siemens e il 32-canale di configurazione della bobina testa).
• Quindi, far scorrere verso il basso il partecipante sul piano dello scanner.
• Fissare la fascia e set inseguitore sulla parteciptesta di formica.
• Montare il multi-articolato braccio al piano di scansione e fissare la compatibilità MR bobina TMS sul braccio.
• Verificare che tutti gli inseguitori e la bobina sono nel campo visivo della telecamera. Qui, la fotocamera è leggermente spostata verso il lato destro del partecipante per consentire un facile monitoraggio degli spostamenti bobina per orientare l'emisfero destro.
• Calibrare la testa del soggetto con gli strumenti stereotassia strumento puntatore (ad esempio). Questo viene fatto coregistering più punti di riferimento sulla testa del partecipante (ad esempio, nel nostro caso la punta del naso, il nasion e il trago di entrambe le orecchie) con i punti di riferimento stessi sui dati anatomici. In questa procedura, sono necessarie due sperimentatori, uno vicino alla testa del partecipante per posizionare l'utensile puntatore sulla testa del partecipante, e l'altra sperimentatore all'ingresso della camera scanner per eseguire la registrazione sul computer.
• Posizionare la bobina TMS compatibile MR tangente al tlui cuoio capelluto, e gli inseguitori bobina rivolta verso la telecamera a raggi infrarossi. La bobina è orientato con la maniglia bobina rivolta all'indietro e parallelamente alla linea mediana ^2. Fissare la posizione della bobina con le viti sul multi braccio snodabile.
• Nella stanza adiacente allo scanner MRI, accendere il sistema TMS e iniziare la stimolazione. TMS viene applicata seguendo un protocollo fantasia, vale a dire, la stimolazione continua raffica theta (CTBs) composta da 3 impulsi a 50Hz, ripetuto a 5Hz per 40. Usiamo una intensità di stimolazione fissa (41%) definita dalla uscita stimolatore ^18,19. Abbiamo scelto questo protocollo, come è stato dimostrato di modulare la plasticità corticale per un periodo fino a 30 minuti dopo la cessazione stimolazione in popolazioni sane ^20, (vedere sezione discussione per procedura di sicurezza).

Post-TMS fMRI sessione

• Una volta che la stimolazione è completa, è importante per ottenere il ritorno soggetto nello scanner appena possibile. Rimuovere il TBobina MS dalla stanza dello scanner e rimuovere il multi braccio snodabile. Spingere indietro la testa del partecipante nella bobina testa MR. Assicurarsi che lo scanner è preparato e pronto ad andare. Il consiglio è di mantenere il corpo piattaforma sollevata durante l'intera sessione TMS, e ridurre il numero e la durata delle scansioni localizzatore al minimo.
• Poiché gli effetti della rTMS sono transitori, la sessione di scansione finale dovrebbe iniziare con l'analisi funzionale. Ancora una volta, abbiamo condotto fMRI nel corso di 12 minuti di esecuzione dell'operazione melodia.
• Dopo la scansione finale è completo, finire con una scansione anatomica.

3. Risultati rappresentativi

L'analisi dei dati fMRI sono condotte separatamente sia per la sessione di fMRI pre-e post-TMS. Per ogni sessione di fMRI (vale a dire, pre e post-TMS), il contrasto tra le melodie e il compito di controllo uditivo mostra compito attività legate a sinistra ea destra di circonvoluzioni Heschl, circonvoluzioni temporali superiore, frontale inferiore e circonvoluzioni precentrale gyri (Figura 1 A, B). Per valutare le differenze tra le sessioni fMRI pre-e post-TMS, eseguiamo un casuale effetto analisi utilizzando Student t-test accoppiato. Importanza è determinato utilizzando i cluster individuati dalla az> 2 soglia e una soglia di cluster corretto di p = 0.05. Figura 1 C rappresenta i post-meno contrasto pre-CTBs per un solo partecipante. I dati suggeriscono che il diritto di targeting CTBs Heschl di giro (cerchio nero) induce un aumento della risposta fMRI nel controlaterale (a sinistra) corteccia uditiva, tra cui giro la sinistra di Heschl. I cambiamenti in risposta fMRI si trovano anche nel giro sinistra postcentrale, insula sinistra, e nella corteccia laterale occipitale bilateralmente. Tuttavia, nessun cambiamento significativo della risposta fMRI è vista sotto la bobina. Inoltre, analogamente combinato TMS-fMRI protocollo viene ripetuto per stimolare il vertice (sito controllo). Confronto di sessioni di pre-e post-fMRI con CTBs applicato sopra il vertice non ha mostrato alcun significant effetto (dati non mostrati).

Figura 1. Analisi dei singoli pre-TMS dati fMRI (A), post-TMS fMRI dati (B) e post-meno pre-TMS dati fMRI (C). A. Risultati della discriminazione melodia contrasto meno prove di controllo uditivi per un singolo partecipante nel pre-TMS sessione di fMRI (A) e nel post-TMS sessione di fMRI (B). Da sinistra a destra: vista assiale, coronale e sagittale. In entrambi (A) e (B), la bobina TMS si rivolge destra Heschl di giro (cerchio nero) situato in x = 54, y = -13, z = 1 (MNI152 spazio standard). Per entrambe le sessioni pre-e post-TMS fMRI, coordinate vengono visualizzate in x = -54, y = -13, z = 1 (MNI152 spazio standard) per mostrare i cambiamenti nell'emisfero sinistro nel sito di stimolazione (cioè a destra giro di Heschl ). C. Risultati del contrasto post-meno pre-TMS sessioni fMRI utilizzando Student t-test accoppiato.

Discussione

Descriviamo un protocollo che unisce TMS offline e fMRI per studiare l'organizzazione funzionale della corteccia uditiva. Nelle prossime sezioni, discuteremo i fattori metodologici da considerare per lo svolgimento di tale approccio.

Acquisizione e tempi per il post-TMS sessione fMRI

Ordine di acquisizione scansioni e di controbilanciamento delle sessioni fMRI pre-e post-TMS

È fondamentale acquisire una scansione anatomica ...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Nome del materiale	Tipo	Azienda
La stimolazione magnetica transcranica	Magstim Super Rapid2 stimolatore, Rapid-2 Plus One Module	Magstim Ltd., Galles, Regno Unito
Bobina per la stimolazione magnetica	MRI-compatibile 70 millimetri figura di otto-coil	Magstim Ltd., Galles, Regno Unito
La risonanza magnetica	3-T Trio Siemens scanner a 32 canali Testa Coil	Siemens, Inc., Germania
Stereotassi Frameless	Brainsight	Rogue Research Inc., Montreal, Canada
Sistema di misurazione ottica	Polaris Spectra	Northern Digital Inc., Ontario, Canada
Multi-braccio snodato porta bobine	Standard	Hybex Innovationi Inc., Anjou, Canada
RM-compatibili Inserite gli auricolari	Sensimetrics, modello S14	Sensimetrics Corporation, MA, Stati Uniti d'America