쎄의 후유증을 매핑하는 기능 영상과 함께 인간 청각 컴퓨터에 접속 자극을 버스트

요약

청각 처리는 음성 및 음악 관련 처리의 기초이다. Transcranial 자석 자극 (TMS)은인지, 감각 및 모터 시스템을 공부하고 성공적으로 사용되어 왔습니다 있지만, 거의 오디션 적용되지 않았습니다. 여기 청각 피질의 기능 조직을 이해하기 위해 기능 자기 공명 영상과 함께 TMS를​​ 조사했다.

초록

청각 피질 음성 또는 음악 관련 처리 ^(1)의 기초에 있습니다 소리의 처리에 관계된. 그러나, 상당한 최근 진행에도 불구하고, 인간의 청각 피질의 기능 속성과 lateralization 훨씬 완전히 이해되지 않도록합니다. Transcranial 자석 자극 (TMS)은 transiently 또는 lastingly 지역화 된 자기장 펄스의 응용 프로그램을 통해 대뇌 피질의 흥분을 조절 할 수있는 비 침습적 기술이며, 소성 및 연결을 탐험의 독특한 방법을 나타냅니다. 단지 최근에 청각 대뇌 피질의 기능 ^2를 이해하는 적용하기 시작했습니다.

TMS를 사용하는 중요한 문제는 자극의 생리적 결과가 수립하기 어려운 점입니다. 많은 TMS 연구는 코일의 대상이 지역은 면적이 영향을 것을 암시 가정을하지만,이 특히 복잡한인지 기능을 위해, whi의 경우 필요가 없습니다채널은 여러 뇌 영역 ^3에서 상호 작용에 따라 달라집니다. 이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 기능성 자기 공명 영상 (fMRI)으로 TMS를​​ 결합하는 것입니다. 여기 아이디어는 fMRI는 TMS와 관련된 뇌 활동의 변화의 색인을 제공한다는 것입니다. 따라서, fMRI는 영역이 TMS 및 방법 ⁴ 변조 된 아르에 의해 영향을하는 평가의 독립적 인 방법을 제공합니다. 또한, fMRI는 먼 지역 사이의 시간적 커플 링의 측정을 나타내는 기능 연결의 평가를 할 수 있습니다. 이 때문에 기능 연결에서 관찰 된 변화를 통해 주어진 위치에서 TMS에 의해 유도 그물 활동 변조뿐만 아니라 네트워크 속성 TMS의 영향에 대한 정도를 측정하는데 유용뿐만 아니라이 될 수 있습니다.

다른 접근 방법은 방법의 시간적 순서에 따라 TMS 및 기능 영상을 결합 존재합니다. 기능성 MRI는 이후시 이전에 적용, 또는 TMS 이전과 이후 모두 할 수 있습니다. 최근에일부 연구는 ^5-7 TMS에 의해 유도 기능 변경의 온라인 매핑을 제공하기 위해 TMS와 fMRI를 인터리브. 그러나,이 온라인 조합은 스캐너 방에 TMS 코일, 또는 MR 이미지 형성 과정에 대한 TMS 펄스의 효과의 존재로 인해 정적 유물 등 많은 기술적 인 문제를 가지고 있습니다. 하지만 더 중요한 것은, 큰 음향 소음은 TMS (때문에 스캐너 구멍의 공명의 표준 사용에 비해 증가)와 증가 TMS 코일 진동 (MR 스캐너의 정적 자기장으로 인해 강한 기계적 힘에 의해 발생)에 의해 유도 청각 처리를 공부할 때 중요한 문제를 구성합니다.

이 fMRI는 본 연구에서 TMS 이전과 이후 실시 된 이유 중의 하나입니다. 비슷한 접근 방식은 모터 피질 ^8,9, premotor 피질 ^10, 기본 somatosensory 피질 ^11,12 및 언어 관련 분야 ^13를 타겟팅하는 데 사용 된하지만, 아직까지 결합 TMS-fMRI 연구는 청각 피질을 조사 없습니다. 이 문서의 목적은 성공적으로 청각 처리를 조사하기 위해 두 neuroscientific 도구를 결합하는 데 필요한 프로토콜 및 고려 사항에 관한 세부 정보를 제공하는 것입니다.

이전에 우리는 보여 그 멜로디 차별 작업 ^2에 청각 피질 변조 된 응답 시간 (RT)을 통해 적용 높고 낮은 주파수 (resp. 10 Hz에서 1 Hz에서)에서 반복적 인 TMS (rTMS). 우리는 또한 RT 변조는 fMRI를 사용하여 청각 네트워크의 기능 연결과 평가 상호 것을 보여 주었다 : 작업 수행시 왼쪽과 오른쪽 청각 cortices 사이의 높은 기능 연결, facilitatory 효과 (예 : RT 감소)가 rTMS를 관찰 높다. fMRI는 rTMS 전에 수행 한 그러나 이러한 연구 결과는 주로 correlational했다. 여기 fMRI는 이전에 수행 된 즉시 TMS 후 직접 조치를 제공하기 위해청각 피질의 기능 조직의 등을 구체적으로 TMS에서 제공 한 신경 개입 이후 발생하는 청각 신경 네트워크의 플라스틱 개편의.

결합 fMRI와 청각 피질을 통해 적용 TMS는 TMS의 기능 효과에 대한 생리 정보를 제공, 청각 처리의 뇌 메커니즘에 대한 이해를 설정해야합니다. 이 기술은 많은인지 신경 과학의 응용 프로그램에 대한뿐만 아니라 특히 청각 관련 장애에 TMS의 치료 응용 프로그램을 최적화에 유용 할 수 있습니다.

프로토콜

프로토콜은 이틀간의 세션 (반드시 연속)에 나누어 져 있습니다. 첫 날은 해부학과 영역이 TMS를​​ 타겟팅 할 각 참가자에 대해 정의 할 수있는 기능 MR 검사로 구성 fMRI 로컬 라이져로 구성되어 있습니다. 두 번째 날은 fMRI 세션으로 구성되어 사전 및 TMS는 특별한 MR 호환 TMS 코일 (Magstim (주), 웨일즈, 영국)과 frameless stereotactic 시스템 (Brainsight)를 사용하여 스캐너 내부에 적용 후 TMS. 후자는 각 참가자의 해부학 및 기능적 데이터를 기준으로 대뇌 피질의 영역에 실시간으로 TMS 코일의 위치로 사용됩니다.

1. 로컬 라이져 세션

• 당신의 참가자의 고해상도 해부학 적 이미지를 획득와 함께 시작합니다.
• 그런 다음, 모든 BOLD 효과 나 MRI 스캔 소음 ^14,15으로 인해 청각 마스킹을 최소화하기 위해 그라디언트 에코 에피 맥박과 스파 스 샘플링 패러다임을 사용하여 기능 이미지를 획득. 우리의 경우, fMRI는 D를 수행하고 있습니다참가자가 2 개의 연속 5 노트 멜로디가 동일한 또는 다른 ^2,16 경우 결정해야하는 멜로디 작업을 uring. 차별 금지의 청각 제어 작업은 피사체는 5 노트의 2 개의 같은 길이 패턴, C5의 동일한 피치의 모든을 듣고 두 번째 자극에 따라 왼쪽 버튼을 클릭 지시되는, 포함되어 있습니다. 침묵의 기간은 각 실행의 작업 재판 중 무작위로 삽입됩니다. 12 분 16 초 총 기간 동안, 멜로디 차별, 24 청각 제어 실험 및 침묵의 24 기간의 24 시험 : 총 72 시련은 무작위 순서로 표시됩니다.
• 해부학 및 / 또는 기능 랜드 마크를 사용하여 자극 사이트를 정의합니다. 하나는 TMS 때문에 깊이에서 전기장 강도의 감쇠의 자극 사이트의 깊이에 대한 제한된다는 사실을 인식 할 수 있으며, 3cm ^6,17보다 더 깊은 영역에 도달 할 예상 할 수 없습니다. 중요한 단계는 각 부분에 대해서도 이와 유사한 랜드 마크를 사용하는 것입니다때문에 참가자 사이의 해부학 적 구조와 기능의 차이 어려울 수 icipant. 여기, 우리는 해부학 및 기능 랜드 마크를 사용하여 위치 각 참가자의 Heschl의 이랑을 타겟팅합니다. 우리는 하버드 - 옥스포드 구조 atlases (에 의해 제공 Heschl의 이랑의 마스크를 사용 http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html )와 TMS 대상은의 봉우리로 개별적으로 정의됩니다 Heschl의 ^이랑이 내 활성화. 또한, 우리는 또한 음향 및 somatosensory 유물 등 TMS의 비 특정 효과를 제어 할 컨트롤 사이트로 사용됩니다 정점 위치를 정의합니다. 정점은 inion과 코의 다리 사이에 점 중간으로 해부학 적 정의, 그리고 오른쪽과 왼쪽 intertragal 노치에서 등거리 있습니다. 자극의 사이트의 순서 (예 Heschl의 이랑이나 정점)이 맞은 편에 counterbalanced입니다개인.

2. 사전 및 사후 TMS fMRI 실험

사전 TMS fMRI 세션

• 스캐너에 직접 가서 할 수있는 참가자를 준비합니다. 이 금속의 제거 및 TMS와 MR 검사 양식을 작성을 포함합니다.
• 해부학 및 기능 검사 (로컬 라이져 세션에서 수행 한 동일한 섹션 1 참조) MR 획득을 시작합니다.

MRI 환경에서 Frameless stereotaxy 및 TMS

frameless stereotaxy 시스템은 적외선 카메라 (폴라리스 스펙트럼), 등록 절차와 컴퓨터에 사용되는 도구 및 추적 (Brainsight)로 구성되어 있습니다. 컴퓨터가 스캐너 객실 바깥에 있지만, 스캐너 객실의 입구에 위치하여 스캐너 문 TMS 응용 프로그램을하는 동안 열려 보관됩니다 수 있습니다. 도구 및 추적이 MR 호환뿐만 아니라 적외선 카메라를 지원하는 삼각대 (집에서 만든)하고 일 아르erefore는 스캐너 방 안에서 사용됩니다. 적외선 카메라는 MR-호환되지 않습니다, 따라서 스캐너 침대에서 약 2 미터 스캐너 문 근처에있는 스캐너 실, (안전 절차에 대한 논의를 참조) 내부에 위치하고 있습니다. TMS stimulator 시스템은 MRI 스캐너 룸에 인접한 방에 자리 잡고 있습니다. 우리는 스캐너 룸 내부에 위치하고 있으며 RF 필터 튜브를 통하여 7 m 케이블을 통해 TMS 시스템에 연결 MRI 호환 TMS 코일을 사용합니다.

• stereotactic 소프트웨어 패키지 (예 : Brainsight)에 참가자의 해부학 및 기능적 이미지와 자극 목표를로드합니다. 여기, 우리는 바로 Heschl의 이랑을 대상으로합니다.
• 사전 TMS fMRI 취득 후, 32 채널 헤드 코일 (지멘스 3T 스캐너 및 32 채널 헤드 코일 구성을 사용하는 경우)의 상부 MR 헤드 코일 부분을 제거합니다.
• 다음, 스캐너 침대 참가자를 끼 웁니다.
• particip의 헤드 밴드와 추적기 세트를 수정개미의 머리.
• 스캐너 침대에 다중 관절 팔을 장착하고 팔 위에 MR 호환 TMS 코일을 해결할 수 있습니다.
• 모든 추적 및 코일 카메라의 시야에 있는지 확인합니다. 여기, 카메라가 약간 오른쪽 뇌를 타겟팅 할 때 코일 변위의 쉽게 추적 활성화를 위해 참가자의 오른쪽으로 이동합니다.
• stereotaxy 도구 (즉, 포인터 도구)를 사용하여 피사체의 머리를 보정합니다. 이것은 해부학 적 데이터에 같은 랜드 마크와 참가자의 머리 (코 nasion하고 두 귀 tragus의 끝 우리 같은 경우에는 예를 들어)에 여러 랜드 마크를 coregistering 통해 이루어집니다. 이 절차에서는 두 experimenters는 한 참가자의 머리에 포인터 도구를 위치로 참가자의 머리를 가까이 필요하며, 스캐너 객실의 입구에있는 다른 실험은 컴퓨터에 등록을 수행 할 수 있습니다.
• t에 접선 MR 호환 TMS 코일의 위치를그는 두피와 코일 추적은 적외선 카메라를 향해 지시했다. 코일은 중간 선 ² 역 및 병렬 가리키는 코일 핸들 방향입니다. 다중 관절 팔에 나사를 사용하여 코일의 위치를​​ 수정했습니다.
• MRI 스캐너에 인접한 객실에서, TMS 시스템에 활성화하고 자극을 시작합니다. TMS는 40 대에 5Hz에서 반복 50Hz에서 3 펄스에 구성된 패턴 프로토콜, 즉 지속적인 세타 버스트 자극 (cTBS)에 따라 적용됩니다. 우리는 stimulator 출력 ^18,19에 의해 정의 된 고정 된 자극의 강도를 (41 %)을 사용합니다. 이 (안전 절차에 대한 토론 섹션을 참조), 건강 인구 ^(20)에서 자극을 중지 한 후 30 분에 진행되는 동안 대뇌 피질의 소성을 조절하기 위해 표시되었습니다 우리는이 프로토콜을 선택했습니다.

후 TMS의 fMRI 세션

• 일단 자극이 완료, 그것은 가능한 한 빨리 스캐너에 따라 다시하는 것이 중요합니다. T를 제거MS의 스캐너 방에서 코일, 그리고 다중 관절 팔을 제거합니다. MR 헤드 코일에 참가자의 머리를 다시 밀어 넣습니다. 스캐너가 준비하고 갈 준비가되어 있는지 확인하십시오. 우리 조언는 전체 TMS 세션 동안 모금 된 몸 플랫폼을 유지하고, 최소로 로컬 라이져 검사의 수와 기간을 감소시키는 것입니다.
• rTMS의 효과는 일시적이기 때문에, 최종 스캔 세션 기능 검사로 시작해야합니다. 다시 말하지만, 우리는 멜로디 작업의 12 분 실행되는 동안 fMRI를 실시했다.
• 최종 검사가 완료되면 해부학 스캔으로 마무리.

3. 대표 결과

fMRI 데이터의 분석은 전후 TMS fMRI 세션 모두에 대해 개별적으로 실시하고 있습니다. 각 fMRI 세션의 경우 (즉, 사전 및 사후 TMS), 멜로디와 청각 제어 작업 사이의 대비는 왼쪽과 오른쪽 Heschl의 gyri, 우수한 시간적 gyri, 열악한 정면 gyri와 precen에서 작업 관련 활동을 보여줍니다tral gyri (그림 1 A, B). 사전 및 사후 TMS fMRI 세션 간의 차이를 평가하기 위해, 우리는 학생의 짝을 t-테스트를​​ 사용하여 임의 효과 분석을 수행합니다. 의의는 AZ> 2 임계 값 및 P의 수정 클러스터 임계 값 = 0.05으로 식별 클러스터를 사용하여 결정됩니다. 그림 1 C은 하나의 참가자에 대한 대비 이후 마이너스 사전 cTBS를 나타냅니다. 데이터는 오른쪽 Heschl의 이랑 (검정색 원)을 대상 cTBS은 왼쪽 Heschl의 이랑을 포함하여 contralateral (왼쪽) 청각 피질에서 fMRI 응답의 증가를 유도하는 것이 좋습니다. fMRI 응답의 변화도 왼쪽 postcentral 이랑에서 발견되며, insula 왼쪽, 그리고 측면 뒤통수 피질의 양자. 그러나, fMRI 응답에 큰 변화는 코일에서 볼 수 없습니다. 또한, 유사한 결합 TMS-fMRI 프로토콜은 꼭지점 (제어 사이트)를 자극 반복됩니다. 꼭지점으로 적용 cTBS과 전후 fMRI 세션의 비교는 significa를 표시하지 않았습니다NT 효과 (데이터 표시되지 않습니다.)

그림 1. 개인 사전 TMS fMRI 데이터 (A), 후 TMS fMRI 데이터 (B) 및 사후 마이너스 사전 TMS fMRI 데이터 (C) 분석. 사전 TMS fMRI 세션 (A)과 후 TMS fMRI 세션 (B)에서 한 참가자에 대한 대비 멜로디 차별 마이너스 청각 제어 재판의 A. 결과. 왼쪽에서 오른쪽으로 : 축 코로나 및 시상 전망을 즐기실 수 있습니다. 에서 모두 (A)와 (B), TMS 코일은에있는 오른쪽 Heschl의 이랑 (검은 색 원)을 목표로하고있다 X = 54, Y = -13, z는 = 1 (MNI152 표준 공간). 모두 사전 및 사후 TMS fMRI 세션를 들어, 좌표에 표시됩니다 X = -54, y = -13, z는 자극의 사이트 (즉, 오른쪽 Heschl의 이랑에서 왼쪽 반구의 변화를 게재 할 수 = 1 (MNI152 표준 공간) ). C.에 대비 결과 학생의 짝을 t-테스트를​​ 사용하여 이후 마이너스 사전 TMS fMRI 세션.

토론

우리는 오프라인 TMS 및 청각 피질의 기능 조직을 조사 할 fMRI를 결합 프로토콜을 설명합니다. 다음 섹션에서, 우리는 이러한 접근 방식을 실시 할 때 방법 론적 요소가 고려 설명합니다.

후 TMS의 fMRI 세션에 대한 수집 및 타이밍

스캔 획득의 순서와 전후 TMS fMRI 세션의 counterbalancing

이 두 기능 검사 사이에 강력한 등록을 위해 TMS ...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
재료 이름	유형	회사
Transcranial 자석 자극	Magstim 슈퍼 Rapid2 stimulator, 빠른-2 플러스 한 모듈	Magstim (주), 웨일즈, 영국
자기 자극에 대한 코일	MRI 호환 70mm의 그림 -의 8 코일	Magstim (주), 웨일즈, 영국
자기 공명 영상	3 T 지멘스 트리오 스캐너, 32 채널 헤드 코일	지멘스, 주식회사, 독일
Frameless Stereotaxy	Brainsight	악성 연구 주식회사, 몬트리올, 캐나다
광학 측정 시스템	폴라리스 스펙트럼	북부 디지털 Inc의 온타리오, 캐나다
코일 홀더를위한 다중 관절 팔	표준	Hybex Innovat이온 주식회사, 안주, 캐나다
MRI 호환 삽입 이어폰	Sensimetrics, 모델 S14	Sensimetrics 공사, MA, USA