Impiegare la stimolazione magnetica transcranica in un ambiente con risorse limitate per stabilire relazioni cervello-comportamento

Riepilogo

La stimolazione magnetica transcranica (TMS) e la TMS a bassa frequenza (lfTMS) hanno dimostrato di essere i principali contributori alla letteratura cerebrale. Qui evidenziamo i metodi per indagare i correlati corticali dell'autoinganno usando la TMS.

Abstract

Il neuroimaging è tipicamente percepito come una disciplina che richiede risorse. Mentre questo è il caso in determinate circostanze, le istituzioni con risorse limitate hanno storicamente contribuito in modo significativo al campo delle neuroscienze, incluso il neuroimaging. Nello studio dell'autoinganno, abbiamo impiegato con successo tmS a impulso singolo per determinare i correlati cerebrali delle abilità, tra cui l'overclaiming e l'auto-miglioramento. Anche senza l'uso della neuro-navigazione, i metodi forniti qui portano a risultati di successo. Ad esempio, è stato scoperto che le diminuzioni della risposta auto-ingannevole portano a una diminuzione dell'affetto. Questi metodi forniscono dati affidabili e validi e tali metodi forniscono opportunità di ricerca altrimenti non disponibili. Attraverso l'uso di questi metodi, la base di conoscenze complessiva nel campo delle neuroscienze viene ampliata, fornendo opportunità di ricerca a studenti come quelli della nostra istituzione (Montclair State University è un istituto ispanico) a cui vengono spesso negate tali esperienze di ricerca.

Introduzione

Ci sono una serie di sfide per studiare i correlati del comportamento cerebrale negli istituti di ricerca con risorse limitate (spesso indicati come "università di insegnamento"). Secondo i dati forniti dalla National Science Foundation (NSF), quasi tutta la ricerca accademica è completata da una piccola percentuale di istituti di istruzione superiore negli Stati Uniti. Quando si esaminano oltre 4.400 istituti che concedono diplomi post-secondari, le prime 115 università / istituti eseguono e pubblicano il 75% di tutte le ricerche¹. Negli Stati Uniti, ci sono 131 università di ricerca 1 (R1: il più alto livello di status che un'università può raggiungere in termini di classifica della ricerca) che ricevono la maggior parte dei finanziamenti federali.

Questa pesante disparità di finanziamento limita le opzioni di ricerca per molti ricercatori principali e studenti; ad esempio, solo l'1,9% delle università R1 sono istituti ispanici. Inoltre, gli istituti non R1 sono limitati in termini di spazio di ricerca, sovvenzioni assegnate e tempo messo a disposizione per la ricerca, e queste scuole spesso non hanno affiliazioni alla scuola di medicina². Dati questi ostacoli, forniamo i metodi che hanno permesso con successo l'indagine delle relazioni cervello-comportamento nell'inganno in un ambiente con risorse limitate. Mentre questi metodi sono adatti a qualsiasi istituto, riteniamo che quelli delle università più piccole / che insegnano intensivamente riceveranno il massimo beneficio da questi metodi.

Il nostro laboratorio si è concentrato principalmente sulle regioni del cervello responsabili della produzione di autoinganno e auto-miglioramento. Stabilire la causalità in termini di regioni corticali sottostanti è realizzabile con una serie di tecniche e questi dati aiutano a confermare i metodi di neuroimaging correlativi e gli studi sperimentali sui^{pazienti 3,4,5}.

Per studiare l'autoinganno con tecniche di neuroimaging causale, sono stati impiegati una serie di metodi innovativi, principalmente con stimolazione magnetica transcranica a impulso singolo (TMS) e TMS ripetitiva (rTMS⁶; Figura 1). Mentre la tDCS (transcranial Direct Cortical Stimulation) è stata impiegata con successo⁷ e può essere modificata per replicare i metodi, le procedure e i risultati qui presentati, la flessibilità della TMS lo rende ancora la scelta ottimale per la neuromodulazione dell'autoinganno. Nella sua implementazione più comune, i ricercatori inibiscono, eccitano, interrompono o misurano l'eccitabilità corticale (non trattata qui, ma vedi riferimento⁸).

La corteccia prefrontale mediale (MPFC) sembra essere coinvolta nella risposta auto-ingannevole⁹. Dato il ruolo delle strutture corticali della linea mediana (CMS) in termini di autoconsapevolezza in generale¹⁰, non sorprende che l'autoinganno sia correlato all'attività MPFC. Per determinare la causalità in termini di regioni frontali, la TMS è stata invocata per creare "lesioni virtuali" mentre misurava gli attacchi di autoinganno¹¹. La misurazione dell'autoinganno è stata raggiunta attraverso due metodi principali: auto-miglioramento e sovra-rivendicazione⁶.

Abbiamo scoperto che l'interruzione dell'MPFC porta alla riduzione dell'autoinganno 6,8,11,12,13. Inoltre, abbiamo scoperto che tale riduzione (cioè l'abbassamento dell'autoinganno) è correlata a una diminuzione dell'affetto di una persona (cioè, aumenti dell'umore negativo e diminuzione dell'umore positivo).

Poiché la neuro-navigazione / risonanza magnetica individuale non viene impiegata (a causa delle spese, la maggior parte dei laboratori non dispone di queste risorse), possono essere sollevate preoccupazioni sul posizionamento e l'accuratezza nel targeting TMS. Abbiamo compensato questo facendo occasionalmente procedure fiduciarie in cui un bersaglio di contrasto (ad esempio, una compressa di vitamina E) viene posizionato sul cappuccio e il partecipante (i) è / sono successivamente scansionati in una risonanza magnetica strutturale^11,12. Questi metodi hanno confermato l'accuratezza dei metodi qui descritti, e stiamo prendendo di mira l'aspetto mediale dell'MPFC al confine di BA 10/9 che si trova sopra il giro frontale mediale (0, ~ 40, ~ 30).

Chiaramente, una maggiore risoluzione spaziale può essere ottenuta utilizzando altri metodi come la neuro-navigazione, tuttavia, questi metodi non sono impiegati senza inconvenienti che includono l'abbandono dei partecipanti, l'esclusione dei partecipanti, l'aumento della durata della sperimentazione, la formazione e lo screening aggiuntivi, le spese aggiuntive e spesso più visite in loco per i partecipanti. Pertanto, i metodi qui presentati offrono un'eccellente alternativa alla neuro-navigazione in molte circostanze.

Protocollo

La ricerca qui presentata è stata approvata dal comitato dell'Institutional Review Board (IRB) della Montclair State University. Tutti i partecipanti sono stati trattati all'interno delle linee guida etiche dell'APA.

1. Partecipanti

1. In primo luogo, ottenere l'approvazione della revisione del comitato IRB per il protocollo (vedere Discussione per le istituzioni non di ricerca 1). Si raccomanda la consultazione con ricercatori esperti. Ottenere moduli come screening (file supplementare 1) ed effetti collaterali (file supplementare 2) moduli da altri ricercatori: sono facilmente condivisi in tutta la comunità TMS. NOTA: Ai fini di questo esperimento, le forme sono state ottenute da Simone Rossi.
2. Formare tutti gli investigatori sul consenso e informare i partecipanti di tutti i rischi, effetti collaterali e potenziali eventi avversi. Se necessario, il Principal Investigator (PI) segue un corso TMS se sono necessarie ulteriori conoscenze. Prima di eseguire i partecipanti, assicurarsi che il PI esegua un test pilota del protocollo, incluso il consenso e il debriefing.
3. Recluta i partecipanti attraverso volantini in giro per il campus. Schermare i partecipanti di persona; il contatto iniziale non deve essere necessariamente di persona. Assicurati che i volantini descrivano il risarcimento e i rischi solo in termini generali, comprese eventuali circostanze speciali (ad esempio, COVID).
4. Assicurati che i partecipanti leggano il modulo di consenso ad alta voce includendo domande specifiche tra cui: Sei uno studente attuale di ____PI______? Hai una: storia di epilessia, storia familiare di epilessia? Hai una storia di convulsioni? Hai qualcuno dei seguenti colpi, impianti metallici cranici, lesione cerebrale strutturale, dispositivo impiantato, pacemaker, pompa di farmaci, impianto cocleare, stimolatore cerebrale impiantato, lavoratore del metallo? Hai una storia di trauma cranico con perdita di coscienza? Hai un alto potenziale per la gravidanza? Hai meno di 18 anni? Hai più di 65 anni?
5. Scusa i partecipanti che affermano qualsiasi domanda dallo studio.
6. Prima di essere iscritti, assicurarsi che l'elenco di controllo di screening sia amministrato.
7. Paga a tutti i partecipanti $ 25 per la loro partecipazione e tratta in conformità con le linee guida dell'Institutional Review Board della Montclair State University e dell'American Psychological Association.
8. Fornire tutti i TMS all'interno del parametro appropriato per l'istituzione (vedere Discussione).
9. La sicurezza e il comfort dei partecipanti sono fondamentali, quindi in tutti i punti in avanti, chiedi e monitora attentamente i partecipanti sia verbalmente che visivamente. Il nervosismo può essere la norma che in alcuni casi porta a risultati più difficili e questo viene monitorato.

2. Gestione delle apparecchiature TMS

1. Utilizzare un dispositivo TMS a impulso singolo per tutte le stimolazioni. Attivare il dispositivo mediante depressione simultanea degli interruttori manuali e pedonali da parte del PI. Utilizzare la velocità massima di stimolazione dello stimolatore (cioè 0,75 Hz).
2. Utilizzare una bobina a figura di otto da 70 mm durante l'esperimento. Assicurarsi che la bobina non raggiunga mai temperature pericolose/di arresto durante l'esperimento. Le bobine di backup sono pronte in caso di necessità come sostituzioni.
3. Presenta tutti gli stimoli usando un computer portatile. Apri il software (ad esempio, Testable) e accedi all'account. Fare clic sull'esperimento appropriato.
4. Ridimensiona il monitor utilizzando una carta di credito. Inserisci le informazioni demografiche. Pulire/ disinfettare il laptop prima e dopo il test di ogni partecipante.
5. Determinare la soglia del motore utilizzando l'ispezione visiva (5/10 evocato Abductor Pollicis Brevis) o tramite un EMG (Elettromiografo).
6. Usa le cuffie per preservare i segni. Utilizzare un supporto per bobina standard per l'allenamento e solo come dimostrazione, non per la stimolazione attiva.
7. Utilizzare misure a nastro di stoffa per prendere le coordinate per CZ e OZ dal sistema 10/20 e prendere MPFC da uno studio precedente sulla sovrapretesa¹⁰. Per determinare MPFC, prendi 1/3 della distanza del nasione dall'inion e MPFC è 1,5 cm anteriore a questa posizione. Questo si concentrerà al BA 10/9 (Medial Frontal Gyrus).
8. Confermare le misurazioni a discrezione del PI utilizzando il metodo fiduciale in cui una compressa di vitamina E viene aderita al cappuccio della posizione della bobina che contrasterà facilmente in una risonanza magnetica standard. A causa del costo, questa opzione è limitata.

3. COVID - 19

1. A causa di COVID-19, includere i seguenti protocolli¹⁴. Nel modulo di consenso, aggiungi una dichiarazione di non responsabilità: "Come partecipante a questo studio, trascorrerai del tempo in uno spazio interno nelle immediate vicinanze del ricercatore. Ciò rappresenta un rischio aggiuntivo significativo per contrarre COVID-19. Stiamo prendendo le seguenti precauzioni per proteggerti come: Solo PI sarà entro 6 piedi dal partecipante; Solo un assistente è ammesso nelle vicinanze, ma devono rimanere socialmente distanziati; Il partecipante deve indossare due mascherine; PI deve indossare due maschere, guanti e una visiera; L'assistente deve indossare una maschera e una visiera; Tutte le apparecchiature di contatto sono sanificate."
2. Esegui tutti gli esperimenti nella hall / sala al di fuori del normale laboratorio poiché la ventilazione è significativamente aumentata. Tutte le attrezzature sono igienizzabili e portatili.
3. Una volta allentati i protocolli COVID-19, utilizzare le normali procedure.

4. Soglia del motore

1. Segna le cuffie da nuoto lungo la linea nasion/inion e il punto medio preso usando un pennarello magico. Misura i punti pre-auricolari e prendi anche quei punti medi. Da qui, traccia le coordinate 10/20 (vedi 2.6).
2. Utilizzando la linea pre-auricolare dell'emisfero destro, quindi scendere del 33% (nella direzione ventrale) e iniziare la ricerca della posizione ottimale per l'Abductor Pollicis Brevis (APB) utilizzando la bobina TMS. Scaricare la macchina TMS utilizzando il grilletto della bobina, l'interruttore a pedale e disinnestando la sicurezza.
3. Orientare la bobina TMS a 45° per tutte le ricerche e le consegne TMS.
4. Avviare l'uscita di stimolazione al 30% dell'uscita totale della macchina utilizzando il quadrante sulla parte anteriore della macchina e aumentare gli incrementi del 2% utilizzando il quadrante fino a quando non viene notato un movimento. Qui, poiché la stimolazione aumenta in termini di intensità, sposta anche la posizione. C'è un'attenta interazione tra il movimento della bobina e l'intensità della stimolazione.
5. Una volta trovata la posizione ottimale (cioè il sito che ha fornito la risposta APB massima), determinare la MT.
6. Prima di iniziare la determinazione MT, contrassegnare il sito della punta della bobina sul cappuccio per consentire un posizionamento accurato. Traccia l'intera porzione anteriore della bobina sulla cuffia da nuoto usando un pennarello magico.
7. Per il metodo di ispezione visiva, utilizzare circa 20 impulsi (intensità variabile della macchina) per scoprire quale livello di stimolazione si traduce in 5/10 (50%) di risposte APB. Il quadrante deve essere sollevato e abbassato in risposta all'aumento o alla diminuzione dei movimenti delle dita. Inizia con il 20% dell'intensità della macchina e lavora. Una volta ottenute 5/10 risposte, registrare la MT dell'individuo annotando ciò che la macchina sta visualizzando come intensità.
8. Per il metodo MEP (preferito), posizionare elettrodi monouso sull'APB e sul tendine del pollice e su un terreno (di solito intorno alla parte posteriore del polso) e, invece di utilizzare l'ispezione visiva, è necessario osservare un MEP positivo sull'unità di registrazione.
9. Definire una risposta MEP positiva come MEP con ampiezza picco-picco ≥50 μV.
10. Simile all'ispezione visiva, stimolare fino a quando non si osservano 5/10 di deputati positivi. I deputati dovrebbero essere superiori a 50 μV. Se il 50% dei deputati al Parlamento europeo è superiore (e il 50% al di sotto), la MT è stata identificata.
11. Una volta stabilito, impostare la macchina TMS sul livello di stimolazione appropriato. Il 90% della soglia del motore è un equilibrio ideale tra TMS attivo efficace e sicurezza. Non superare il 45% della produzione totale della macchina. Ci sono occasioni in cui la MT di una persona è il 60% della produzione totale della macchina, ma questo è raro.

5. TMS attivo a impulso singolo

1. Selezionare in modo casuale l'ordine di tutti i siti (ad esempio, SMA, PZ, MPFC o Sham su CZ; Figura 5).
2. Posizionare la bobina sul sito attivo e avviare un software di presentazione (ad esempio, Testable (vedi sotto)). La stimolazione dovrebbe procedere automaticamente e in sincronia con gli stimoli.
3. Avere sempre una bobina di ricambio in caso di surriscaldamento.

6. Presentazione

1. Raccogli tutti i dati comportamentali utilizzando un software di presentazione (ad esempio, Testable) Questo software è facilmente configurabile e gli script sono semplici.
   NOTA: vengono creati tre blocchi separati, uno per ciascuna delle condizioni cerebrali. I dati demografici da raccogliere vengono prima scelti utilizzando la routine di selezione automatica di Testable. Quindi parole vere e parole false vengono inserite nel software di scripting. Vengono scelte le dimensioni e la durata delle parole, così come la posizione sullo schermo delle parole di stimolo.
2. Una volta creato lo script, raccogli prima i dati demografici ed esegui la calibrazione dello schermo. Questo viene fatto abbinando il cursore a una carta di credito. Eseguire tutti gli esperimenti su un computer. Tutte le risposte vengono effettuate sulla tastiera integrata e sul pad del sensore.
3. Dare due prove pratiche e introdurre la scala analogica. Tutti i partecipanti si adattano facilmente all'attrezzatura. Le istruzioni sono date oralmente e ai partecipanti viene detto di valutare quanto bene conoscono la parola.
   1. Se la parola è familiare a loro (come "scrivania") dovrebbe ricevere una valutazione elevata.
   2. Se "in qualche modo" conoscono la parola, devono dare una valutazione media (come "clorofilla").
   3. Se non è così familiare a loro, assegneranno una valutazione bassa (come "5HTTlpr"). Dovrebbero essere usate un totale di 144 parole (36 per sito cerebrale).
4. I partecipanti hanno tempo illimitato per rispondere. Dopo la risposta sulla scala analogica, viene presentata la parola successiva.

Risultati

La Figura 2, da Taylor-Lilquist et ^al.14, ha coinvolto quattro siti cerebrali: MPFC, SMA, PZ e un sito Sham. Questi siti sono stati utilizzati per determinare i correlati di overclaiming. L'overclaiming è un partecipante che indica di conoscere una parola quando in realtà non è una parola. 12 partecipanti sono stati testati sia in contesti sociali che non sociali. Le impostazioni sociali rappresentavano la pressione per conoscere una parola (alta pressione sociale;...

Discussione

Il protocollo (e le variazioni di) qui delineato è stato utilizzato in oltre 50 studi presso la Montclair State University. L'intero set-up può essere creato per meno di $ 15.000 (US). Inoltre, abbiamo scoperto che le nostre coordinate corrispondono bene con le strutture cerebrali sottostanti utilizzando procedure fiduciarie.

Vengono spesso utilizzate varianti di questo metodo. Ad esempio, le condizioni di controllo possono includere la stimolazione di diverse aree del cervello, l'applicazio...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Android Samsung Tablet (for MEPs)	Samsung	SM-T500NZSAXAR
Cloth Measuring Tape	GDMINLO	B08TWNCDNS(AMZ)
Figure of 8 Copper TMS Coil	Magstim	4150-00	This is the current model
Lenovo T490 Laptop	Lenovo	20RY0002US
Magstim 200 Single Pulse	MagStim	Magstim200/2	This is the current model
Magstim Standard Coil Holder	MagStim	AFC/SS	This is the current model
Speedo Swim Caps	Speedo	751104-100
Testable.Org Account and Software	Testable	NA
Trigno 2 Lead Sensor (for MEPs)	DelSys	SP-W06-018B
Trigno Base and Plot Software (for MEPs)	DelSys	DS-203-D00