Сопоставление После эффектов Theta всплеск раздражения на человека слуховой коры с функциональной визуализации

Резюме

Слуховые обработки является основой речи и музыки, связанные с обработкой. Транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) успешно используется для изучения когнитивных, чувствительных и двигательных систем, но редко применяется на прослушивание. Здесь мы исследовали TMS в сочетании с функциональной магнитно-резонансную томографию, чтобы понять функциональная организация слуховой коры.

Аннотация

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.

протокол

Протокол разделен на двухдневную сессию (не обязательно подряд). В первый день состоит из МРТ локализатор составлен с анатомической и функциональной МРТ сканирование, чтобы определить для каждого участника областей, которые будут направлены с TMS. Второй день состоит в том, МРТ сессии пред-и пост-TMS TMS, где применяется внутри сканера с помощью специального MR совместимы катушки TMS (Magstim ООО, Уэльс, Великобритания) и безрамные системы стереотаксической (Brainsight). Последний используется для позиций в режиме реального времени TMS катушки на участках коры по отношению к анатомическим и функциональным данные каждого участника.

1. Локализатор сессии

• Начните с приобретением высокого разрешения анатомическое изображение вашего участника.
• Тогда, приобретают функциональные изображения, используя градиент эхо EPI импульса и редкие парадигмы выборки для того, чтобы свести к минимуму любые смелые действия или слуховой маскировки в связи с МРТ сканирование шума ^14,15. В нашем случае, МРТ осуществляется Dтором мелодию задание, в котором участники должны определить, если два последовательных 5-к сведению мелодии являются одинаковыми или различными ^2,16. Контроль недискриминации слуховой задачи также включены, в котором субъекты услышать две равные по длине модели из пяти нот, все в той же высоты C5 и поручил нажмите левую кнопку после второго стимула. Периоды молчания, также вставлены случайно среди задача испытаний, в каждом периоде. В целом, 72 испытаний представлены в случайном порядке: 24 испытаний мелодию дискриминация, 24 исследований слухового контроля и 24 периодами тишины, для общей продолжительностью 12 мин 16 сек.
• Определить места стимуляции с использованием анатомических и / или функциональных ориентиров. Человек должен знать, что TMS ограничены относительно глубины стимуляции сайт из-за ослабления напряженности электрического поля в глубине, и не может рассчитывать на труднодоступных районах глубже 3 см ^6,17. Важным шагом является использование похожих ориентиров для каждой частиicipant, которая может быть затруднено из-за различия в анатомии и функций между участниками. Здесь мы нацелены извилины Heschl в каждого участника, расположенные с использованием как анатомические и функциональные ориентиры. Мы используем маски извилины Heschl, при условии, по Гарвард-Oxford структурных атласы ( http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html ) и целевой TMS определяется индивидуально на пике активации в течение извилины Heschl ^2. Кроме того, мы также определяем позицию вершины, которые будут использоваться в качестве контрольной сайт для контроля неспецифические эффекты, такие как TMS акустических и соматосенсорной артефактов. Вершина определяется анатомически как точку на полпути между ИНИОН и переносице, и на равном расстоянии от правой и левой intertragal вырезами. Порядок месте раздражения (т. е. извилины Heschl или вершина) уравновешивается черезлиц.

2. Пре-и пост-TMS МРТ эксперимента

Предварительно TMS МРТ сессии

• Подготовка участников, чтобы перейти непосредственно в сканер. Это включает в себя удаление из металла и заполнения TMS и МР-скрининга форме.
• Начало приобретения MR с анатомическим и функциональным сканирования (идентичной той, осуществляется в локализатор сессии, см. раздел 1).

Безрамное стереотаксис и TMS в МРТ окружающей среды

Безрамные системы стереотаксис состоит из инфракрасной камеры (Polaris Spectra), некоторые инструменты и трекеры (Brainsight), используемые для процедуры регистрации и компьютером. Компьютер находится вне сканера комнату, но расположены на входе в помещение сканера и сканера дверь остается открыт во время применения TMS. Инструменты и трекеры MR совместимы, а также штатив (самодельные) с поддержкой инфракрасной камеры и йerefore, используемые внутри сканера комнате. Инфракрасная камера не MR-совместимые, и, следовательно, находится внутри сканера комнаты, возле двери сканер примерно в двух метрах от сканера кровать (см. обсуждение в целях безопасности процедуры). Система TMS стимулятор находится в комнате, смежной с МРТ номер сканера. Мы используем МРТ совместимый TMS катушка расположена внутри сканера комнаты и подключены к системе TMS с помощью 7-м кабелем через ВЧ-фильтр трубки.

• Загрузите анатомических и функциональных изображений ваших участников и стимулирование целевых задач в стереотаксической пакет программного обеспечения (например, Brainsight). Здесь мы будем таргетинга извилине правого Heschl автора.
• После предварительной TMS МРТ приобретение, снимите верхнюю голову MR катушку часть 32-канальный голову катушки (если используется сканер Siemens 3T и 32-канальные головы катушку конфигурации).
• Далее, скользить вниз участника на планшет сканера.
• Исправить оголовье и трекер набор на participМуравей голову.
• Установите мульти-сочлененной рукой сканер кровать и исправить MR совместимы катушки TMS на руку.
• Убедитесь, что все трекеры и катушки находятся в поле зрения камеры. Здесь, камера слегка перемещается в правую сторону участник чтобы облегчить отслеживание перемещений катушки при ориентации правого полушария.
• Калибровка голова субъекта с инструментами стереотаксис (т.е. указатель инструмента). Это делается путем coregistering несколько ориентиров на голове участника (например, в нашем случае кончик носа, назион и козелка обоих ушей) с теми же вехами на анатомических данных. В этой процедуре, два экспериментаторы необходимы, один близко к голове участника для перемещения указателя инструмента на голове участника, а другой экспериментатор у входа в помещение сканера для выполнения регистрации на компьютер.
• Установите MR совместимы катушки TMS касательной к тОн волосистой части головы, и катушка трекеры, направленных на инфракрасную камеру. Катушка ориентирован с катушкой ручкой, указывая назад и параллельно средней линии ^2. Закрепите катушку положении с помощью винта на мульти-сочлененной рукой.
• В комнате, смежной с магнитно-резонансной томографии, включите систему TMS и начинать стимуляцию. TMS применяются следующие узорной протокола, т. е. непрерывный взрыв тета стимуляция (CTBS), состоящие в 3 импульсы на частоте 50 Гц, повторяется на 5 Гц для 40-х годов. Мы используем фиксированной интенсивности стимуляции (41%), определяемая выходом стимулятора ^18,19. Мы выбрали этот протокол, как это было показано для модуляции корковой пластичности продолжительностью до 30 мин после стимуляции прекращения в здоровой популяции ^20, (см. раздел обсуждения для обеспечения безопасности процедуры).

Пост-TMS МРТ сессии

• После стимуляции является полным, важно, чтобы предмет обратно в сканер как можно скорее. Снимите TMS катушки от сканера комнате, и удалить мульти-сочлененной рукой. Сдвиньте назад голову участника в катушку голову MR. Убедитесь, что ваш сканер подготовлены и готовы к работе. Наш совет, чтобы держать тело платформы, поднятые в ходе всей сессии TMS, и сократить количество и продолжительность курсового сканирования до минимума.
• Поскольку последствия МТР являются временными, заключительной сессии сканирования должно начинаться с функциональной проверки. Опять же, мы провели МРТ в течение 12-минут пробега мелодии задачи.
• После окончательного завершения сканирования, покончить с анатомическими сканирования.

3. Представитель Результаты

Анализ данных МРТ проводится отдельно для пред-и пост-TMS МРТ сессии. Для каждого МРТ сессии (т.е. до и после TMS), контраст между мелодиями и задачи слухового контроля показывает, связанных с задачами деятельности в левой и правой извилин Heschl, в верхней височной извилины, нижней лобной извилины и precenспектрального извилин (рис. 1, Б). Для оценки различий между пре-и пост-TMS сессии МРТ, мы выполняем случайную-следственный анализ использования студенческих парный Т-тест. Значение определяется с помощью кластеров, определенных AZ> 2 порога и исправлены кластера порог р = 0,05. Рисунок 1 представляет C отличие пост-минус предварительного CTBS для одного участника. Полученные данные свидетельствуют, что CTBS ориентированные на право извилины Heschl (в черный круг) вызывает увеличение фМРТ ответ в контралатеральной (слева) слуховой коры, в том числе извилины левого Heschl в. Изменения в фМРТ ответ также находятся в левой постцентральной извилины, оставил изоляции, а в боковой затылочной коры на двусторонней основе. Тем не менее, никаких существенных изменений в МРТ ответа видно под катушкой. Кроме того, аналогичные комбинированные TMS-МРТ протокол повторяется, чтобы стимулировать вершины (управление сайтом). Сравнение пред-и пост-МРТ сессий с CTBS наносится на вершину не показали significaNT эффект (данные не представлены).

Рисунок 1. Анализ индивидуальных пред-TMS данным МРТ (A), пост-TMS МРТ данных (B) и пост-минус предварительные данные МРТ TMS (C). А. Результаты дискриминации отличие мелодия минус испытания слухового контроля для одного участника предварительной TMS МРТ сессии (А) и в пост-TMS МРТ сессии (B). Слева направо: осевые, корональной и сагиттальной вид. В обоих (А) и (Б), катушки TMS ориентирована на право извилины Heschl (в черный круг), расположенный в точке х = 54, у = -13, Z = 1 (MNI152 стандартного пространства). Для обоих пред-и пост-TMS МРТ сессий, на экране появятся координаты х = -54, у = -13, Z = 1 (MNI152 стандартное пространство), чтобы показать изменения в левом полушарии на месте раздражения (т. е. извилины правого Heschl автора ). С. Результаты отличие пост-минус предварительного TMS МРТ сессий с использованием Студенческая парный Т-тест.

Обсуждение

Мы описываем протокол объединения форума TMS и МРТ для исследования функциональной организации слуховой коры. В следующих разделах мы будем обсуждать методологические факторы необходимо учитывать при проведении такого подхода.

Приобретение и сроки пост-TMS сессии фМРТ

...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Название материала	Тип	Компания
Транскраниальной магнитной стимуляции	Magstim супер Rapid2 стимулятор, Rapid-2 плюс один модуль	Magstim ООО, Уэльс, Великобритания
Катушка для магнитной стимуляции	МРТ-совместимый 70 мм фигуры из восьми катушки	Magstim ООО, Уэльс, Великобритания
Магнитно-резонансная томография	3-T Siemens Trio сканер, 32-канальный Глава Coil	Siemens, Inc, Германия
Безрамное Стереотаксия	Brainsight	Rogue Research, Монреаль, Канада
Оптическая система измерения	Polaris Spectra	Северная цифровой Inc, Онтарио, Канада
Multi-сочлененной рукой держатель для катушки	Стандарт	Hybex Innovatионы Inc, Анжу, Канада
МРТ-совместимых наушников Insert	Sensimetrics, модель S14	Sensimetrics Corporation, Массачусетс, США