Mapear as sequelas de Theta Explosão Estimulação no córtex auditivo humano com Imagem Funcional

Resumo

Processamento auditivo é a base de voz e música relacionada com o processamento. Estimulação Magnética Transcraniana (TMS) foi usado com sucesso para estudar cognitivas, sistemas sensoriais e motores, mas raramente tem sido aplicada para a audição. Aqui nós investigamos TMS combinados com ressonância magnética funcional para entender a organização funcional do córtex auditivo.

Resumo

Córtex auditivo se refere ao processamento de som, que está na base da fala ou música relacionada com o processamento ^1. No entanto, apesar dos recentes progressos consideráveis, as propriedades funcionais e de lateralização do córtex auditivo humano estão longe de serem totalmente compreendidos. Estimulação Magnética Transcraniana (TMS) é uma técnica não-invasiva que pode transitoriamente ou duradoura modular a excitabilidade cortical através da aplicação de pulsos localizados de campo magnético, e representa um método exclusivo de explorar a plasticidade e conectividade. Ele só recentemente começou a ser aplicada para entender a função auditiva cortical ^2.

Uma questão importante no uso de TMS é que as consequências fisiológicas da estimulação são difíceis de estabelecer. Apesar de muitos estudos TMS fazer a suposição implícita de que a área alvo da bobina é a área afectada, esta necessidade não é o caso, em particular para as funções cognitivas complexas which dependem de interações em várias regiões cerebrais ^3. Uma solução para este problema é combinar TMS com ressonância magnética funcional (fMRI). A idéia aqui é que fMRI irá fornecer um índice de mudanças na atividade cerebral associada com TMS. Assim, fMRI daria um meio independente de avaliar quais áreas são afetadas pela TMS e como eles são modulados ^4. Além disso, a IRMf permite a avaliação de conectividade funcional, o que representa uma medida do acoplamento temporal entre regiões distantes. Assim, pode ser útil não só para medir a actividade de modulação de líquido induzido pela TMS em determinados locais, mas também do grau em que as propriedades da rede são afectados pela TMS, via quaisquer alterações observadas na conectividade funcional.

Abordagens diferentes para combinar TMS e de imagem funcional de acordo com a ordem temporal dos métodos. RM funcional pode ser aplicado antes, durante, após ou antes e depois da TMS. Recentemente, Alguns estudos intercalados TMS e fMRI, a fim de proporcionar linha de mapeamento das alterações funcionais induzidas por TMS ^5-7. No entanto, esta combinação de linha tem muitos problemas técnicos, incluindo os artefactos estáticos resultantes da presença da bobina TMS na sala de scanner, ou os efeitos dos impulsos de TMS sobre o processo de formação de imagens MR. Mas, mais importante, o ruído acústico alto induzida por TMS (aumentada em comparação com a utilização padrão, devido à ressonância do scanner furo) e as vibrações de aumento da bobina (TMS causado pelas fortes forças mecânicas devido ao campo magnético estático do scanner de MR) constituem um problema crucial quando se estuda o processamento auditivo.

Esta é uma razão pela qual fMRI foi realizado antes e depois da TMS no presente estudo. Abordagens semelhantes têm sido utilizados para atingir o córtex motor ^8,9, córtex pré-motor ^10, principal córtex somatossensorial ^11,12 e língua áreas relacionadas com a ¹³, Mas até agora nenhum estudo combinado TMS-fMRI investigou o córtex auditivo. O objetivo deste artigo é o de fornecer pormenores sobre o protocolo e considerações necessárias para combinar com sucesso essas duas ferramentas neurocientíficas para investigar processamento auditivo.

Anteriormente nós mostramos que TMS (EMTr) em freqüências altas e baixas (resp. 10 Hz e 1 Hz) aplicados sobre o tempo de resposta córtex auditivo modulado (RT) em uma tarefa de discriminação melodia ^2. Também mostramos que a RT de modulação foi correlacionada com a conectividade funcional na rede auditivo avaliadas utilizando fMRI: quanto maior a conectividade funcional entre os córtices auditivos esquerdo e direito durante o desempenho da tarefa, maior é o efeito facilitador (isto é, redução RT) observada com a rTMS. No entanto, essas conclusões foram principalmente correlacional, como fMRI foi realizada antes da EMTr. Aqui, fMRI foi realizada antes e imediatamente após o TMS para fornecer medidas diretasda organização funcional do córtex auditivo, e mais especificamente da reorganização de plástico da rede neural auditiva que ocorre após a intervenção neural fornecida pelo TMS.

RMf combinadas e TMS aplicados sobre o córtex auditivo deve permitir uma melhor compreensão dos mecanismos cerebrais de processamento auditivo, fornecendo informações fisiológicas sobre efeitos funcionais do TMS. Este conhecimento pode ser útil para muitas aplicações de neurociência cognitiva, bem como para optimizar a aplicações terapêuticas de TMS, particularmente em distúrbios relacionados auditivo.

Protocolo

O protocolo é dividido em uma sessão de dois dias (não necessariamente consecutivas). O primeiro dia é composto de um localizador fMRI composta com um anatômicas e funcionais de exames de RM para definir para cada participante das áreas a ser alvo de TMS. O segundo dia consiste em sessões de fMRI pré-e pós-TMS TMS onde é aplicado dentro do scanner utilizando um especial MR bobina TMS compatível (Magstim Ltd., País de Gales, Reino Unido) e um sistema estereotáxica frameless (Brainsight). O último é usado para a posição em tempo real, a bobina TMS em áreas corticais em relação aos dados anatômicos e funcionais de cada participante.

1. Sessão Localizer

• Comece com a aquisição de uma imagem anatômica de alta resolução do participante.
• Em seguida, a aquisição de imagens funcionais usando um gradiente de eco EPI pulso e um paradigma amostras dispersas a fim de minimizar qualquer efeito BOLD ou mascaramento auditivo devido a ruído de varredura MRI ^14,15. No nosso caso, é realizada RMf durante uma tarefa melodia em que os participantes têm de determinar se dois períodos consecutivos de cinco nota-melodias são a ^2,16 iguais ou diferentes. A tarefa de controle não-discriminação auditiva também está incluído, em que os sujeitos ouvir duas iguais de comprimento padrões de cinco notas, todas no mesmo tom de C5 e são instruídos a clicar com o botão esquerdo após o segundo estímulo. Períodos de silêncio também são inseridos aleatoriamente entre os ensaios de tarefas em cada execução. No total, 72 estudos são apresentados em uma ordem aleatória: 24 ensaios de discriminação melodia, 24 ensaios de controle auditivas e 24 períodos de silêncio, para uma duração total de 12 min 16 seg.
• Definir o local de estimulação usando anatômicas e / ou funcionais marcos. Deve-se ter consciência de que TMS é limitado em relação à profundidade do local de estimulação devido à atenuação da intensidade do campo eléctrico em profundidade, e não podem esperar para chegar a áreas mais profundas do que 3 cm ^6,17. Um passo fundamental é usar pontos de referência semelhantes para cada parteicipant, o que pode ser difícil devido às diferenças na anatomia e função entre os participantes. Aqui, temos por meta giro de Heschl em cada participante, localizado usando ambos os marcos anatômicos e funcionais. Nós usamos máscaras de giro de Heschl fornecida pelos atlas Harvard-Oxford estruturais ( http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html ) ea meta TMS é definido individualmente pelo pico de ativação em giro de Heschl ^2. Além disso, também definem a posição de vértice, o qual será utilizado como um local de controlo para controlar os efeitos não-específicos de TMS como artefatos acústicos e somatossensorial. O vértice é definida anatomicamente como um ponto intermediário entre o inion ea ponte do nariz, e equidistante dos entalhes direito e esquerdo intertragal. A ordem do local de estimulação (giro ou seja Heschl ou vértice) é contrabalançada emindivíduos.

2. Pré e Pós-TMS Experimento fMRI

Pré-TMS sessão fMRI

• Preparar o participante para ir diretamente no scanner. Isto inclui a remoção de metal e enchimento do TMS e MR forma de triagem.
• Comece a aquisição MR com um anatômicas e uma varreduras funcionais (idêntico ao realizado na sessão do localizador, ver seção 1).

Estereotaxia sem moldura e TMS no ambiente de ressonância magnética

O sistema de estereotaxia frameless é composto por uma câmera infravermelha (Polaris Spectra), algumas ferramentas e trackers (Brainsight) utilizados para o processo de registo e um computador. O computador está localizada do lado de fora do quarto do scanner, mas posicionada na entrada da sala scanner e a porta do scanner é mantida aberta durante a aplicação de TMS. As ferramentas e rastreadores são MR compatível, bem como o tripé (home-made) apoiar a câmera infravermelha e são poerefore utilizado dentro da sala de scanner. A câmera infravermelha não é MR-compatível, e, portanto, está posicionado no interior da sala do scanner, próximo a porta do scanner em cerca de dois metros da superfície do scanner (veja a discussão para procedimento de segurança). O TMS sistema estimulador está localizado em uma sala adjacente à sala de scanner de ressonância magnética. Nós usamos uma ressonância magnética da bobina TMS compatível localizado no interior da sala de scanner e conectado ao sistema de TMS através de um cabo de 7 m por meio de um tubo de filtro de RF.

• Carregar imagens anatômicas e funcionais seu participante e as metas de estimulação para o pacote de software estereotáxica (Brainsight por exemplo). Aqui, vamos ser alvo de giro de Heschl direito.
• Após a aquisição fMRI pré-TMS, remova a parte superior MR bobina de cabeça da bobina de cabeça de 32 canais (se usar o scanner 3T Siemens eo canal-32 configuração de bobina de cabeça).
• Em seguida, deslize para baixo o participante na mesa do scanner.
• Fixar a cabeça e conjunto rastreador no participcabeça formiga.
• Monte o braço multi-articulado para o scanner e corrigir o MR bobina TMS compatível para o braço.
• Verificar que todos os trackers ea bobina está no campo de visão da câmara. Aqui, a câmera é um pouco deslocado para o lado direito do participante para permitir um mais fácil encalço dos deslocamentos da bobina quando o direcionamento do hemisfério direito.
• Calibrar cabeça do sujeito com as ferramentas de estereotaxia (isto é ferramenta de ponteiro). Isto é feito por vários pontos de referência coregistering sobre a cabeça do participante (por exemplo, no nosso caso, a ponta do nariz, o násio e o trago de ambas as orelhas) com os mesmos pontos de referência para os dados anatómicos. Neste processo, dois experimentadores são necessários, uma perto da cabeça do participante para posicionar a ferramenta de ponteiro na cabeça do participante, o experimentador e outra na entrada da sala do scanner para realizar o registo no computador.
• Posicione o MR bobina TMS compatível tangencial para tele couro cabeludo, e os seguidores de bobina dirigida para a câmara de infravermelhos. A bobina está orientada com o punho apontando para trás da bobina e paralela à linha central do ^2. Corrigir a posição da bobina com os parafusos no braço multi-articulado.
• Na sala ao lado do aparelho de ressonância magnética, ligar o sistema TMS e começar a estimulação. TMS é aplicado seguindo um protocolo padronizado, ou seja, a estimulação disparo contínuo teta (CTBS), que consiste em 3 pulsos em 50Hz, repetido em 5Hz por 40 segundos. Usamos uma intensidade de estimulação fixa (41%) definido pela saída do estimulador ^18,19. Nós escolhemos este protocolo, tal como foi mostrado para modular a plasticidade cortical por um período de até 30 minutos após a cessação do estímulo em populações saudáveis ^​​20, (ver a secção de discussão do procedimento de segurança).

Pós-TMS sessão fMRI

• Uma vez que a estimulação está completa, é importante para obter o objecto de volta para dentro do scanner o mais rapidamente possível. Remover o TMS bobina da sala de scanner, e retirar o braço multi-articulado. Deslize para trás a cabeça do participante para a bobina de cabeça MR. Garantir o seu scanner está preparado e pronto para ir. Nosso conselho é manter a plataforma levantada do corpo durante a sessão de TMS todo, e reduzir o número e duração das verificações localizador a um mínimo.
• Porque os efeitos da EMTr são transitórios, a sessão de digitalização final deve começar com a leitura funcional. Mais uma vez, foram realizadas fMRI durante uma corrida de 12 min a tarefa de melodia.
• Após a verificação final está completo, terminar com uma varredura anatômica.

3. Resultados representativos

As análises dos dados de ressonância magnética são conduzidos separadamente para os fMRI sessão de pré-e pós-TMS. Para cada sessão de fMRI (ou seja, pré e pós-TMS), o contraste entre as melodias e as tarefas de controlo auditivo mostra tarefa relacionada com a atividade no esquerdo e direito Heschl giros, giros temporal superior, inferior frontal giros e precentral giros (Figura 1 A, B). Para avaliar as diferenças entre as sessões de fMRI pré e pós-TMS, realizamos uma análise do efeito aleatório de Student teste t pareado. A significância é determinada usando conjuntos identificados por az limiar> 2 e um limiar de cluster corrigida de p = 0,05. Figura 1 C representa o contraste pós-minus pré-CTBS para um único participante. Os dados sugerem que CTBS visando o direito Heschl giro (círculo) induz um aumento na resposta fMRI no contralateral (esquerdo) córtex auditivo, incluindo giro de Heschl esquerda. Alterações na resposta fMRI também são encontradas no giro esquerdo pós-central, deixou insula, e no córtex occipital lateral, bilateralmente. No entanto, não houve mudança significativa na resposta fMRI é visto sob a bobina. Além disso, o protocolo semelhante TMS-fMRI combinada é repetido para estimular o (sítio controle) vértice. Comparação das sessões de pré-e pós-fMRI com CTBS aplicadas sobre o vértice não mostrou qualquer significant efeito (dados não mostrados).

Figura 1. Análise de dados individuais pré-TMS RMf (A), pós-TMS fMRI dados (B) e de pós-minus de dados pré-TMS RMf (C). A. Resultados do contraste discriminação melodia menos ensaios de controlo auditivos para um único participante na sessão fMRI pré-TMS (A) e na sessão fMRI pós-TMS (B). Da esquerda para a direita: vista axial, coronal e sagital. Em ambos (A) e (B), a bobina de TMS tem como alvo o direito Heschl gyrus (círculo preto), situado em x = 54, y = -13, z = 1 (MNI152 espaço padrão). Para ambas as sessões de pré e pós-TMS fMRI, as coordenadas são exibidas em x = -54, y = -13, z = 1 (MNI152 espaço padrão) para mostrar as mudanças no hemisfério esquerdo no local da estimulação (giro ou seja, direito Heschl ). C. Resultados do contraste pós-minus sessões pré-TMS fMRI Student utilizando teste t emparelhado.

Discussão

Nós descrevemos um protocolo combinando TMS offline e fMRI para investigar a organização funcional do córtex auditivo. Nas próximas seções, vamos discutir os fatores metodológicos a considerar na realização de tal abordagem.

Aquisição e tempo de pós-TMS sessão fMRI

Ordem de aquisição exames e contrabalançando de sessões de fMRI pré e pós-TMS

É crucial para adquirir uma verificação anatómica MR, antes e de...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Nome de material	Tipo	Companhia
A estimulação magnética transcraniana	Magstim Super Rapid2 estimulador, Rapid-2 Plus One Módulo	Magstim Ltd., País de Gales, Reino Unido
Bobina para estimulação magnética	MRI-compatível 70 milímetros figura-de-oito-coil	Magstim Ltd., País de Gales, Reino Unido
A ressonância magnética	3-T do scanner Trio Siemens, bobina de cabeça de 32 canais	Siemens, Inc., Alemanha
Estereotaxia Frameless	Brainsight	Vampira Research Inc., de Montreal, Canadá
Sistema de medição óptica	Polaris Spectra	Northern Digital Inc, Ontario, Canadá
Multi-articulado braço para suporte da bobina	Padrão	Hybex inoíons Inc., Anjou, Canadá
MRI-Compatível fones de inserção	Sensimetrics, Modelo S14	Sensimetrics Corporation, MA, EUA