Использование транскраниальной магнитной стимуляции в среде с ограниченными ресурсами для установления отношений между мозгом и поведением

Резюме

Было продемонстрировано, что транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) и низкочастотная ТМС (lfTMS) вносят основной вклад в литературу по мозгу. Здесь мы выделим методы исследования корковых коррелятов самообмана с помощью ТМС.

Аннотация

Нейровизуализация обычно воспринимается как дисциплина, требующая ресурсов. Хотя это имеет место в определенных обстоятельствах, учреждения с ограниченными ресурсами исторически внесли значительный вклад в область нейробиологии, включая нейровизуализацию. При изучении самообмана мы успешно использовали одноимпульсную ТМС для определения коррелятов способностей мозга, включая преувеличение и самосовершенствование. Даже без использования нейронавигации методы, представленные здесь, приводят к успешным результатам. Например, было обнаружено, что снижение самообманчивой реакции приводит к снижению аффекта. Эти методы предоставляют данные, которые являются надежными и достоверными, и такие методы предоставляют возможности для исследования, которые в противном случае были бы недоступны. Благодаря использованию этих методов расширяется общая база знаний в области неврологии, предоставляя исследовательские возможности студентам, таким как в нашем учреждении (Государственный университет Монклера является испаноязычным институтом), которым часто отказывают в таком исследовательском опыте.

Введение

Существует ряд проблем с исследованием коррелятов мозга и поведения в научно-исследовательских учреждениях с ограниченными ресурсами (часто называемых «учебными университетами»). Согласно данным, предоставленным Национальным научным фондом (NSF), почти все академические исследования завершается небольшим процентом высших учебных заведений США. При изучении более 4 400 учреждений, предоставляющих высшие учебные заведения, 115 ведущих университетов / институтов выполняют и публикуют 75% всех исследований¹. В Соединенных Штатах существует 131 исследовательский 1 (R1: самый высокий статус, которого университет может достичь с точки зрения исследовательского рейтинга) университетов, которые получают основную часть федерального финансирования.

Это большое неравенство в финансировании ограничивает возможности исследований для многих главных исследователей, а также студентов; например, только 1,9% университетов R1 являются испаноязычными институтами. Кроме того, институты, не относящиеся к R1, ограничены с точки зрения исследовательского пространства, предоставленных грантов и времени, выделенного для исследований, и эти школы часто не имеют членства в медицинских школах². Учитывая эти препятствия, мы предоставляем методы, которые успешно позволили исследовать отношения мозг-поведение в обмане в среде с ограниченными ресурсами. Хотя эти методы подходят для любого института, мы считаем, что те, кто работает в небольших / интенсивных учебных университетах, получат максимальную выгоду от этих методов.

Наша лаборатория сосредоточилась в первую очередь на областях мозга, ответственных за самообман и самосовершенствование. Установление причинно-следственной связи с точки зрения основных областей коры достижимо с помощью ряда методов, и эти данные помогают подтвердить коррелятивные методы нейровизуализации и экспериментальные испытания пациентов ^3,4,5.

Для исследования самообмана с помощью методов причинно-следственной нейровизуализации был использован ряд инновационных методов, главным образом с одноимпульсной транскраниальной магнитной стимуляцией (ТМС) и повторяющейся ТМС (rTMS⁶; Рисунок 1). В то время как tDCS (транскраниальная прямая кортикальная стимуляция) была успешно использована⁷ и может быть модифицирована для воспроизведения методов, процедур и результатов, представленных здесь, гибкость TMS по-прежнему делает ее оптимальным выбором для нейромодуляции самообмана. При его наиболее распространенной реализации исследователи ингибируют, возбуждают, нарушают или измеряют возбудимость коры (здесь не рассматривается, но см. ссылку⁸).

Медиальная префронтальная кора (MPFC), по-видимому, участвует в самообманчивающей реакции⁹. Учитывая роль кортикальных структур средней линии (CMS) с точки зрения самосознания в целом¹⁰, неудивительно, что самообман коррелирует с активностью MPFC. Чтобы определить причинно-следственную связь с точки зрения лобных областей, ТМС полагались на создание «виртуальных поражений» при измерении приступов самообмана¹¹. Измерение самообмана было достигнуто с помощью двух основных методов: самосовершенствования и завышения⁶.

Мы обнаружили, что нарушение MPFC приводит к сокращению самообмана 6,8,11,12,13. Кроме того, мы обнаружили, что такое снижение (т.е. снижение самообмана) связано с уменьшением аффекта человека (т.е. отрицательное настроение увеличивается, а позитивное настроение уменьшается).

Поскольку нейронавигационные / индивидуальные МРТ не используются (из-за расходов большинство лабораторий не имеют этих ресурсов), может возникнуть обеспокоенность по поводу позиционирования и точности таргетинга ТМС. Мы компенсировали это, время от времени выполняя фидуциальные процедуры, в которых контрастная мишень (например, таблетка витамина Е) помещается на колпачок, а участник (участники) впоследствии сканируется в структурной МРТ^11,12. Эти методы подтвердили точность методов, описанных здесь, и мы нацеливаемся на медиальный аспект MPFC на границе BA 10/9, которая лежит над медиальной лобной извилиной (0, ~ 40, ~ 30).

Очевидно, что более высокое пространственное разрешение может быть получено с использованием других методов, таких как нейронавигация, однако эти методы не используются без недостатков, которые включают отсев участников, исключение участников, увеличение продолжительности эксперимента, дополнительное обучение и скрининг, дополнительные расходы и часто множественные посещения объектов для участников. Поэтому методы, представленные здесь, предлагают отличную альтернативу нейронавигации во многих обстоятельствах.

протокол

Исследование, представленное здесь, было одобрено комитетом Институционального наблюдательного совета (IRB) Государственного университета Монклера. Все участники были рассмотрены в соответствии с этическими руководящими принципами АПА.

1. Участники

1. Во-первых, получить одобрение Комитета IRB для протокола (см. Обсуждение для учреждений, не относящихся к исследованиям 1). Рекомендуется консультация с опытными исследователями. Получите такие формы, как скрининг (дополнительный файл 1) и формы побочных эффектов (дополнительный файл 2) от других исследователей - они легко распространяются среди сообщества TMS. ПРИМЕЧАНИЕ: Для целей этого эксперимента формы были получены от Симоны Росси.
2. Обучите всех исследователей согласию и информированию участников обо всех рисках, побочных эффектах и потенциальных неблагоприятных событиях. При необходимости главный исследователь (PI) проходит курс TMS, если необходимы дополнительные знания. Перед запуском участников убедитесь, что PI выполняет пилотную проверку протокола, включая согласие и разбор полетов.
3. Набирайте участников с помощью листовок по всему кампусу. Скрининг участников лично; первоначальный контакт не обязательно должен быть личным. Убедитесь, что листовки описывают компенсацию и риски только в общих чертах, включая любые особые обстоятельства (например, COVID).
4. Убедитесь, что участники прочитали форму согласия вслух, включая конкретные вопросы, в том числе: Являетесь ли вы нынешним студентом ____PI______? У вас есть: история эпилепсии, семейная история эпилепсии? У вас есть история судорог? Есть ли у вас какие-либо из следующих ударов: черепные металлические имплантаты, структурные поражения головного мозга, имплантированное устройство, кардиостимулятор, лекарственная помпа, кохлеарный имплант, имплантированный стимулятор мозга, металлист? У вас есть история травмы головы с потерей сознания? У вас высокий потенциал для беременности? Вы моложе 18 лет? Вы старше 65 лет?
5. Извините любых участников, подтверждающих любые вопросы из исследования.
6. Перед регистрацией убедитесь, что контрольный список скрининга введен.
7. Выплатить всем участникам 25 долларов США за их участие и лечение в соответствии с руководящими принципами Институционального наблюдательного совета в Университете штата Монклер и Американской психологической ассоциации.
8. Предоставьте все TMS в пределах параметра, подходящего для учреждения (см. Обсуждение).
9. Безопасность и комфорт участников имеют решающее значение, поэтому во всех точках вперед спрашивайте и внимательно следите за участниками как устно, так и визуально. Нервозность может быть нормой, которая в некоторых случаях приводит к более сложным исходам, и это контролируется.

2. Погрузочно-разгрузочные работы с оборудованием TMS

1. Используйте одноимпульсное устройство TMS для любой стимуляции. Запускайте устройство путем одновременного нажатия ручного и ножного переключателей вручную с помощью PI. Используйте максимальную скорость стимуляции стимулятора (т.е. 0,75 Гц).
2. Используйте 70-миллиметровую катушку из восьми на протяжении всего эксперимента. Убедитесь, что катушка никогда не достигает опасных температур / температур отключения во время эксперимента. Резервные катушки готовы в случае необходимости замены.
3. Представьте все стимулы с помощью портативного компьютера. Откройте программное обеспечение (например, Testable) и войдите в учетную запись. Нажмите на соответствующий эксперимент.
4. Масштабирование монитора с помощью кредитной карты. Введите демографическую информацию. Очистите/продезинфицируйте ноутбук до и после тестирования каждого участника.
5. Определите двигательный порог с помощью визуального осмотра (5/10 вызванного Абдуктора Pollicis Brevis) или с помощью ЭМГ (электромиограф).
6. Используйте плавательные шапочки для сохранения маркировки. Используйте стандартный держатель катушки для тренировки и только в качестве демонстрации, а не для активной стимуляции.
7. Используйте тканевые рулеточные меры, чтобы взять координаты для CZ и OZ из системы 10/20 и взять MPFC из предыдущего исследования по завышению¹⁰. Чтобы определить MPFC, возьмите 1/3 расстояния от наса до inion, а MPFC составляет 1,5 см впереди этого места. Это будет сосредоточено на BA 10/9 (Medial Frontal Gyrus).
8. Подтверждайте измерения по усмотрению PI, используя метод fiducial, в котором таблетка витамина Е приклеивается к колпачку расположения катушки, которая будет легко контрастировать в стандартной МРТ. Из-за стоимости этот вариант ограничен.

3. COVID - 19

1. Из-за COVID-19 включите следующие протоколы¹⁴. В форме согласия добавьте отказ от ответственности: «Как участник этого исследования, вы будете проводить время в помещении в непосредственной близости от исследователя. Это создает значительный дополнительный риск заражения COVID-19. Мы принимаем следующие меры предосторожности для вашей защиты, такие как: Только PI будет находиться в пределах 6 футов от участника; Только один помощник допускается в непосредственной близости, но они должны оставаться социально дистанцированными; Участник должен носить две маски; ПИ должен носить две маски, перчатки и лицевой щиток; Помощник должен носить маску и лицевой щиток; Все контактное оборудование дезинфицируется».
2. Выполните все эксперименты в вестибюле / зале за пределами обычной лаборатории, так как вентиляция значительно увеличена. Все оборудование дезинфицируемое и портативное.
3. Как только протоколы COVID-19 будут ослаблены, используйте обычные процедуры.

4. Порог двигателя

1. Отметьте плавательные шапки вдоль линии назиона/иона и средней точки, взятой с помощью магического маркера. Измерьте предушные точки и возьмите эти средние точки. Отсюда, график координат 10/20 (см. 2.6).
2. Используя предаурикулярную линию правого полушария, затем идите на 33% вниз (в вентральном направлении) и начинайте поиск оптимального местоположения для абдуктора Pollicis Brevis (APB) с помощью катушки TMS. Разгрузите машину TMS с помощью спускового крючка катушки, ножного переключателя и отключите предохранитель.
3. Ориентируйте катушку TMS на 45° для всех поисков и поставок TMS.
4. Запустите выход стимуляции с 30% общей производительности машины с помощью циферблата на передней панели устройства и увеличивайте с шагом 2% с помощью циферблата до тех пор, пока не будет отмечено движение. Здесь, поскольку стимуляция увеличивается с точки зрения интенсивности, переместите и местоположение. Существует тщательное взаимодействие между движением катушки и интенсивностью стимуляции.
5. Как только оптимальное местоположение найдено (т.е. сайт, который обеспечил максимальный ответ APB), определите MT.
6. Перед началом определения MT отметьте участок наконечника катушки на колпачке, чтобы обеспечить точное размещение. Проследите всю переднюю часть катушки до плавательной шапки с помощью волшебного маркера.
7. Для метода визуального контроля используйте приблизительно 20 импульсов (различной интенсивности машины), чтобы выяснить, какой уровень стимуляции приводит к 5/10 (50%) реакциям APB. Циферблат следует поднимать и опускать в ответ на увеличение или уменьшение движений пальцев. Начните с 20% интенсивности машины и работайте вверх. После получения ответов 5/10 запишите MT человека, отметив, что машина отображает как интенсивность.
8. Для (предпочтительного) метода MEP поместите одноразовые электроды на APB и сухожилие большого пальца и землю (обычно вокруг задней части запястья), и вместо использования визуального осмотра на блоке записи должен наблюдаться положительный MEP.
9. Определите положительный отклик MEP как MEP с амплитудой ≥50 мкВ от пика до пика.
10. Подобно визуальному осмотру, стимулируйте до тех пор, пока не будет наблюдаться 5/10 положительных депутатов Европарламента. Количество депутатов Европарламента должно превышать 50 мкВ. Если 50% депутатов Европарламента выше (и 50% ниже), МТ был идентифицирован.
11. После установки установите машину TMS на соответствующий уровень стимуляции. 90% порога двигателя является идеальным балансом между эффективной активной ТМС и безопасностью. Не превышайте 45% от общей производительности машины. Бывают случаи, когда МТ человека составляет 60% от общей производительности машины, но это редкость.

5. Активная одноимпульсная ТМС

1. Случайным образом выберите порядок всех сайтов (например, SMA, PZ, MPFC или Sham over CZ; Рисунок 5).
2. Поместите катушку над активным сайтом и запустите презентационное программное обеспечение (например, Testable (см. Ниже)). Стимуляция должна протекать автоматически и синхронно со стимулами.
3. Всегда имейте запасную катушку на случай перегрева.

6. Презентация

1. Соберите все поведенческие данные с помощью презентационного программного обеспечения (например, Testable) Это программное обеспечение легко настраивается, а сценарии просты.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Создаются три отдельных блока - по одному для каждого из состояний мозга. Демографические данные, подлежащие сбору, сначала выбираются с помощью процедуры автоматического отбора Testable. Затем реальные слова и поддельные слова помещаются в программное обеспечение для написания сценариев. Размер и продолжительность слов выбираются, как и расположение на экране стимулирующих слов.
2. После создания сценария сначала соберите демографические данные и выполните калибровку экрана. Это делается для сопоставления ползунка с кредитной картой. Выполните все эксперименты на компьютере. Все ответы производятся на встроенной клавиатуре и сенсорной панели.
3. Проведите два практических испытания и введите аналоговую шкалу. Все участники легко приспосабливаются к оборудованию. Инструкции даются устно, и участникам предлагается оценить, насколько хорошо они знают это слово.
   1. Если слово им знакомо (например, «стол»), ему следует дать высокую оценку.
   2. Если они «вроде как» знают это слово, они должны дать среднюю оценку (например, «хлорофилл»).
   3. Если это не так знакомо им, они будут присваивать низкий рейтинг (например, «5HTTlpr»). В общей сложности должно быть использовано 144 слова (36 на сайт мозга).
4. У участников есть неограниченное время для ответа. После ответа на аналоговой шкале представляется следующее слово.

Результаты

Рисунок 2, взятый из Taylor-Lilquist et ^al.14, включал четыре участка мозга: MPFC, SMA, PZ и сайт Sham. Эти участки использовались для определения коррелятов завышения. Завышение - это участник, указывающий, что он знает слово, когда на самом деле оно не является словом. 12 участни...

Обсуждение

Протокол (и вариации), изложенные здесь, были использованы в более чем 50 исследованиях в Государственном университете Монклера. Вся настройка может быть создана менее чем за 15 000 долларов США. Кроме того, мы обнаружили, что наши координаты хорошо согласуются с основными структурами мозг?...

Материалы

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