Name: a multimodal imaging- and stimulation-based method of evaluating connectivity-related brain excitability in patients with epilepsy
Uploaded: 2016-11-13T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Multimodal Imaging- and Stimulation-based Method of Evaluating Connectivity-related Brain Excitability in Patients with Epilepsy at JoVE.com

The authors would like to thank Emily L. Thorn, B.A., for her assistance with the Source estimation of evoked electrical activity Section. MMS was supported by a KL2/Catalyst Medical Research Investigator Training award from Harvard Catalyst/The Harvard Clinical and Translational Science Center (National Center for Research Resources and the National Center for Advancing Translational Sciences, National Institutes of Health Award KL2 TR001100). CJC was supported by a grant from the National Institutes of Health (5K12NS066225). APL was supported in part by grants from the Sidney R. Baer Jr. Foundation, the National Institutes of Health (R01 HD069776, R01 NS073601, R21 MH099196, R21 NS082870, R21 NS085491, R21 HD07616), and Harvard Catalyst/The Harvard Clinical and Translational Science Center (NCRR and the NCATS, NIH UL1 RR025758). BSC was supported by the National Institute of Neurological Disorders and Stroke (R01 NS073601).

Das hier beschriebene Protokoll wurde von den Institutional Review Boards des Beth Israel Deaconess Medical Center und dem Massachusetts Institute of Technology genehmigt. 1. Auswahl Betreff <ol><li> Patientenauswahl für die Forschung Protokoll. <ol><li> Identifizieren Patienten mit aktiver Epilepsie (Krampfanfälle innerhalb des letzten Jahres) oder eine Geschichte der Fern Epilepsie (vor Anfällen, aber ohne Anfälle in den letzten fünf Jahren entweder an oder aus Medikamenten) und per...

Resting-State - funktionelle Konnektivität MRI verwendet wurde Netzwerk - Konnektivität im menschlichen Gehirn zu identifizieren, und Änderungen der Konnektivität zu identifizieren , die 26,31,32 in verschiedenen Krankheitszuständen auftreten. Doch wie fMRI funktionelle Konnektivität auf die Identifizierung Korrelationen im BOLD-Signal basiert und als Änderungen Blutoxydation eine nicht-triviale Beziehung zu Grunde liegenden neuronalen Aktivität, die kausale Bedeutung und physiologische Relevanz diese...

Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein Mittel, nicht-invasiv Regionen Kortex durch elektromagnetische Induktion zu stimulieren. In TMS, eine große, aber räumlich begrenzten magnetischen Fluß verwendet, um ein elektrisches Feld in einer Ziel kortikalen Bereich zu induzieren und dadurch die Aktivität des zugrunde liegenden Nervengewebe modulieren. TMS zu motorischen Kortex führt zu motorisch evozierte Potenziale, die peripher über Elektromyographie (EMG) gemessen werden kann. Wenn in Paaren oder Triplets von Impulsen angelegt, kann TMS verwendet werden , um die Aktivität spezifischer intrakortikale GABAergen und glutamatergen Schaltungen 1-3, zu beurteilen und somit das Gleichgewicht der Erregung und Hemmung in vivo in menschlichen Patienten zu bewerten. In Epilepsie gesagt haben TMS Studien gezeigt , dass kortikale Übererregbarkeit bei Patienten mit Epilepsie vorliegt 4,5 und normalisieren kann mit erfolgreichen Antiepileptikum Therapie und damit als Reaktion auf Medikamente vorhersagen 6. Darüber hinaus TMS Maßnahmen der kortikalen exzeigen Zitierbarkeit bei Patienten Zwischenwerten mit einem einzelnen Anfall 7 und bei Geschwistern von Patienten , die sowohl mit idiopathischer generali und erworbenen fokalen Epilepsien 8. Diese Ergebnisse legen nahe, dass TMS Maßnahmen der kortikalen Erregbarkeit erlauben können uns Endophänotypen für Epilepsie zu identifizieren. Allerdings sind die Sensitivität und Spezifität dieser Maßnahmen beschränkt, wahrscheinlich weil TMS-EMG kann nur mit Stimulation der motorischen kortikalen Schaltungen und viele Patienten mit Epilepsie haben Anfallsherde außerhalb des motorischen Kortex beurteilt werden. Elektroenzephalographie (EEG) bietet die Möglichkeit, direkt auf die zerebrale Reaktion auf TMS zu messen, und kann verwendet werden zerebrale Reaktivität in weiten Bereichen Neocortex zu beurteilen. Studien TMS mit EEG - Integration (TMS-EEG) haben gezeigt , dass TMS Aktivitätswellen erzeugt , die in der gesamten Hirnrinde 9,10 und dass hallen sind reproduzierbar und zuverlässig 11-13. Durch die Ausbreitung der evozierten Aktivität Auswertungin verschiedenen Verhaltenszustände und in verschiedenen Aufgaben, TMS-EEG wurde kausal zu sondieren die dynamische effektive Konnektivität des menschlichen Gehirns Netzwerke 10,14-16 verwendet. TMS-EEG Maßnahmen haben erhebliche Abweichungen bei Erkrankungen von Schizophrenie 17 bis ADHS 18 hin gezeigt, und bei Störungen des Bewusstseins wie Wachkoma 19. Darüber hinaus haben mehrere Gruppen EEG Korrelate des gekoppelten-Puls TMS-EMG - Metriken identifiziert, die bei Patienten mit Epilepsie 20,21 abnormal sind. Von besonderer Relevanz, frühere Studien haben auch vorgeschlagen , dass abnorme Stimulation evozierten EEG - Aktivität bei Patienten mit Epilepsie 22-25 zu sehen ist. Ein weiteres Mittel zur Bewertung Schaltkreise im Gehirn ist über Ruhezustand funktionelle Konnektivität MRI (rs-fcMRI), eine Technik , die die Zusammenhänge im Laufe der Zeit in der Blutoxydation pegelabhängig (BOLD - Signal) aus verschiedenen Hirnregionen 26 auswertet. Studien unter Verwendung vonrs-fcMRI haben gezeigt , dass das menschliche Gehirn in verschiedene Netzwerke von zusammenwirkenden Regionen organisiert ist 26-29, dass neuropsychiatrische Erkrankungen in bestimmten großen verteilten neuronalen Netze identifiziert durch rs-fcMRI 30, und dass die Gehirnnetzwerken identifiziert via RS- auftreten kann fcMRI sind häufig abnormal bei neuropsychiatrischen Krankheitszuständen 31,32. Im Hinblick auf die mögliche klinische Anwendungen hat rs-fcMRI mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen aufgabenbasierten fMRI - Anwendung 33, einschließlich einer geringeren Abhängigkeit von Thema Zusammenarbeit und Besorgnis über variable Leistung. Folglich hat es eine Explosion von Studien rs-fcMRI Veränderungen in verschiedenen Krankheitsstadien zu erforschen vor kurzem gewesen. Allerdings ist eine der Einschränkungen der rs-fcMRI ist die Schwierigkeit bei der Bestimmung, ob und wie die Korrelationen (oder anticorrelations) in der BOLD-Signal an die elektrophysiologischen Wechselwirkungen betreffen, die die Grundlage der neuronalen Kommunikation bilden. Ein verwandtes Problem ist, dass es often unklar, ob die RS-fcMRI Veränderungen in verschiedenen Krankheitszuständen gesehen haben physiologische Bedeutung. Insbesondere in Bezug auf Epilepsie, ist es unklar, ob Anomalien in rs-fcMRI sind allein auf interiktalen epileptiformer Transienten oder existieren unabhängig von solchen elektrophysiologischen Anomalien; simultane EEG-fMRI benötigt wird , um zwischen diesen Möglichkeiten 34 bewerten zu helfen. Als TMS verwendet werden kann vorübergehender oder anhaltender Veränderungen in den Aktivierungen der verschiedenen kortikalen Regionen zu produzieren, liefern TMS-Studien ein Mittel von kausal die Bedeutung der verschiedenen Ruhezustand fMRI Konnektivitätsmuster zu bewerten. Ein Ansatz ist rs-fcMRI verwenden therapeutische Stimulation Bemühungen in verschiedenen Krankheitszuständen zu führen; es könnte erwartet werden, dass TMS Regionen gezielt, die Bereiche funktionell verbunden sind bekannt in verschiedenen Krankheitszuständen beteiligt zu sein ist wahrscheinlicher, als ohne eine solche functio Regionen gezielte TMS therapeutisch wirksam zu seinnal - Konnektivität, und in der Tat haben mehrere Studien vorläufige Beweise für diese 35,36 gefunden. Ein anderer Ansatz würde bedeuten TMS-EEG mit bis kausal die physiologische Bedeutung der verschiedenen Ruhezustand fcMRI Muster beurteilen. Insbesondere kann man die Hypothese zu testen, dass Regionen, die abnormal funktionelle Konnektivität in einem bestimmten Krankheitszustand zeigen eine andere Reaktion auf die Stimulation bei Patienten als bei gesunden Probanden zeigen sollte, und dass diese physiologische Anomalien speziell vorhanden sind (oder vor allem) mit Stimulation des abnorm verbunden Region. Um die oben veranschaulichen, stellen wir ein Beispiel für eine kürzlich durchgeführte Studie , in der rs-fcMRI, TMS und EEG kombiniert wurden kortikale Übererregbarkeit bei Patienten mit Epilepsie aufgrund der Entwicklung des Gehirns Anomalie periventrikuläre knotige Heterotopie (PNH) 37 zu erkunden. Patienten mit PNH vorhanden klinisch mit adolescent- oder Erwachsenenalter Epilepsie, Leseschwäche und normale intelligence und haben abnorme Knötchen der grauen Substanz neben den lateralen Ventrikel auf 38,39 Neuroimaging. Frühere Studien haben gezeigt , dass diese periventrikuläre Knötchen heterotoper grauen Substanz sind strukturell und funktionell im Neokortex 40,41 auf diskrete Foci verbunden ist , und dass epileptische Anfälle aus neokortikalen Regionen, heterotope graue Substanz stammen können, oder beide gleichzeitig 42, was darauf hindeutet , dass epileptogenesis in diese Patienten ist ein Schaltungs Phänomen. Durch die Verwendung von Ruhezustands-fc-MRI TMS-EEG führen, haben wir gezeigt, dass Patienten mit aktiver Epilepsie durch PNH Nachweis kortikaler Übererregbarkeit haben, und dass diese Übererregbarkeit erscheint auf Regionen mit abnormaler funktionelle Verbindung zu den tiefen Knötchen zu beschränken. Das Protokoll wird in zwei getrennten Sitzungen durchgeführt. Während der ersten Sitzung, strukturelle und Ruhezustand Blut-Sauerstoffversorgung pegelabhängig (BOLD) Kontrast MR-Sequenzen erfasst(Für Patienten) oder nur strukturelle MRI-Sequenzen (für den gesunden Kontrollen). Zwischen dem ersten und zweiten Sitzungen wird Ruhezustand funktionelle Konnektivität Analyse der kortikalen Ziele für die Patienten und die MNI-Koordinaten für diese Ziele erreicht werden zu definieren. Die entsprechenden kortikalen Ziele (basierend auf MNI-Koordinaten) werden dann für jeden gesunden Kontrollperson identifiziert. In der zweiten Sitzung wird die TMS-EEG-Daten erhalten. In dem Beispiel in diesem Papier gegeben wurden funktionelle Konnektivität MRI Analysen 43,44 mit einem hauseigenen Software - Toolbox und die MRI - Software durchgeführt. Neuro-navigierte TMS wurde mit einem transkraniellen Magnet Stimulator mit Echtzeit-MRT Neuronavigation durchgeführt. EEG wurde mit einem 60-Kanal-TMS-kompatiblen System aufgezeichnet, die Schaltung eine Abtast-Halte-Verstärker nutzt Sättigung durch TMS zu vermeiden. EEG - Daten wurden unter Verwendung von benutzerdefinierten Skripten analysiert und die EEGLAB Toolbox 45 (Version 12.0.2.4b) läuft in MATLAB R2012b.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="573">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">3T MRI scanner</td>
			<td style="width:71px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">MRI functional connectivity software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">MRI image viewing software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>MRICron</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Transcranial Magnetic Stimulator</td>
			<td>Nexstim</td>
			<td>eXimia Stimulator&#160;</td>
			<td>Can use stimulators from other suppliers e.g. Magventure, Magstim</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">MRI neuronavigation system</td>
			<td>Nexstim</td>
			<td>NBS v3.2.1</td>
			<td>Alternative MRI neuronavigation system e.g. Brainsight, Localite</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">TMS-compatible EEG system</td>
			<td>Nexstim</td>
			<td>Eximia EEG</td>
			<td>Alternatives: Brain Products, Synamps, ANT</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Matlab</td>
			<td>Mathworks</td>
			<td>R2012b</td>
			<td>Alternatives: Octave</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">EEGLab</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td colspan="2" height="21" style="height:21px;">Minimum Norm Estimate (MNE) software</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">FreeSurfer</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a multimodal imaging- and stimulation-based method of evaluating connectivity-related brain excitability in patients with epilepsy

Resting-state functional connectivity MRI (rs-fcMRI) is a technique that identifies connectivity between different brain regions based on correlations over time in the blood-oxygenation level dependent signal. rs-fcMRI has been applied extensively to identify abnormalities in brain connectivity in different neurologic and psychiatric diseases. However, the relationship among rs-fcMRI connectivity abnormalities, brain electrophysiology and disease state is unknown, in part because the causal significance of alterations in functional connectivity in disease pathophysiology has not been established. Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) is a technique that uses electromagnetic induction to noninvasively produce focal changes in cortical activity. When combined with electroencephalography (EEG), TMS can be used to assess the brain's response to external perturbations. Here we provide a protocol for combining rs-fcMRI, TMS and EEG to assess the physiologic significance of alterations in functional connectivity in patients with neuropsychiatric disease. We provide representative results from a previously published study in which rs-fcMRI was used to identify regions with abnormal connectivity in patients with epilepsy due to a malformation of cortical development, periventricular nodular heterotopia (PNH). Stimulation in patients with epilepsy resulted in abnormal TMS-evoked EEG activity relative to stimulation of the same sites in matched healthy control patients, with an abnormal increase in the late component of the TMS-evoked potential, consistent with cortical hyperexcitability. This abnormality was specific to regions with abnormal resting-state functional connectivity. Electrical source analysis in a subject with previously recorded seizures demonstrated that the origin of the abnormal TMS-evoked activity co-localized with the seizure-onset zone, suggesting the presence of an epileptogenic circuit. These results demonstrate how rs-fcMRI, TMS and EEG can be utilized together to identify and understand the physiological significance of abnormal brain connectivity in human diseases.

Resting-State - funktionelle Konnektivität fMRI kann verwendet werden , um Bereiche der Hirnrinde zu identifizieren , die hohe funktionelle Konnektivität mit den heterotopen periventrikuläre grauen Substanz Knötchen (Abbildung 1) zeigen, und Kontrollregionen ohne solche Konnektivität. Um zu bestimmen, ob eine solche abnormale funktionelle Konnektivität physiologische Bedeutung hat, kann der kortikalen Region mit korrelierten Ruhezustand Aktivität wie die &quot;ver...

Watch this Scientific Journal Video about A Multimodal Imaging- and Stimulation-based Method of Evaluating Connectivity-related Brain Excitability in Patients with Epilepsy at JoVE.com

A Multimodal Imaging- and Stimulation-based Method of Evaluating Connectivity-related Brain Excitability in Patients with Epilepsy

Resting-state functional-connectivity MRI has identified abnormalities in patients with a wide range of neuropsychiatric disorders, including epilepsy due to malformations of cortical development. Transcranial Magnetic Stimulation in combination with EEG can demonstrate that patients with epilepsy have cortical hyperexcitability in regions with abnormal connectivity.

Ein Multimodal Imaging- und Stimulations-basierte Verfahren zur Bewertung der Connectivity-bezogenen Erregbarkeit des Gehirns bei Patienten mit Epilepsie

Resting-state functional connectivity MRI (rs-fcMRI) is a technique that identifies connectivity between different brain regions based on correlations ...

Research

JoVE Journal

Medicine

In vivo Near Infrared Fluorescence (NIRF) Intravascular Molecular Imaging of Inflammatory Plaque, a Multimodal Approach to Imaging of Atherosclerosis

In vivo Near Infrared Fluorescence NIRF Intravascular Molecular Imaging of Inflammatory Plaque, a Multimodal Approach to Imaging of Atherosclerosis

In vivo Near Infrared Fluorescence (NIRF) intravaskuläre Molecular Imaging von entzündlichen Plaque, einen multimodalen Ansatz, um Imaging der Atherosklerose

The vascular response to injury is a well-orchestrated inflammatory response triggered by the accumulation of macrophages within the vessel wall leading ...

Forschung

Medizin

Driving Simulation in the Clinic: Testing Visual Exploratory Behavior in Daily Life Activities in Patients with Visual Field Defects

Fahrsimulation in der Klinik: Testen von Visual Exploratory Behavior in Aktivitäten des täglichen Lebens bei Patienten mit Gesichtsfeldstörungen

Patients suffering from homonymous hemianopia after infarction of the posterior cerebral artery (PCA) report different degrees of constraint in daily ...

Computerized Dynamic Posturography for Postural Control Assessment in Patients with Intermittent Claudication

Computerized dynamic posturography with the EquiTest is an objective technique for measuring postural strategies under challenging static and dynamic ...

Murine Endoscopy for In Vivo Multimodal Imaging of Carcinogenesis and Assessment of Intestinal Wound Healing and Inflammation

Murine Endoscopy for In Vivo Multimodal Imaging of Carcinogenesis and Assessment of Intestinal Wound Healing and Inflammation

Murine Endoskopie für<em&gt; In Vivo</em&gt; Multimodale Bildgebung der Krebsentstehung und Bewertung der Darm Wundheilung und Entzündung

Mouse models are widely used to study pathogenesis of human diseases and to evaluate diagnostic procedures as well as therapeutic interventions ...

Brain Source Imaging in Preclinical Rat Models of Focal Epilepsy using High-Resolution EEG Recordings

Gehirn Quelle Imaging in präklinischen Rattenmodellen von fokalen Epilepsie mit hochauflösenden EEG Recordings

Electroencephalogram (EEG) has been traditionally used to determine which brain regions are the most likely candidates for resection in patients with ...

A Pipeline for 3D Multimodality Image Integration and Computer-assisted Planning in Epilepsy Surgery

Eine Pipeline für 3D Multimodalität Bildintegration und Computergestützte Planung in der Epilepsie-Chirurgie

Epilepsy surgery is challenging and the use of 3D multimodality image integration (3DMMI) to aid presurgical planning is well-established. Multimodality ...

Multimodal Quantitative Phase Imaging with Digital Holographic Microscopy Accurately Assesses Intestinal Inflammation and Epithelial Wound Healing

Multimodale Quantitative Phase Imaging mit digitalen holografischen Mikroskopie Beurteilt Exakt Darmentzündung und Epithelial Wundheilung

The incidence of inflammatory bowel disease, i.e., Crohn&#39;s disease and Ulcerative colitis, has significantly increased over the last decade. The ...

Network Analysis of Foramen Ovale Electrode Recordings in Drug-resistant Temporal Lobe Epilepsy Patients

Netzwerkanalyse von Foramen Ovale Elektrode Recordings in Resistente Temporallappen Epilepsie-Patienten

Approximately 30% of epilepsy patients are refractory to antiepileptic drugs. In these cases, surgery is the only alternative to eliminate/control ...

Interictal High Frequency Oscillations Detected with Simultaneous Magnetoencephalography and Electroencephalography as Biomarker of Pediatric Epilepsy

Interiktalen Hochfrequenzoszillationen Erkannte mit Simultaneous Magnetoencephalographie und Elektroenzephalographie als Biomarker für Pädiatrische Epilepsie

Crucial to the success of epilepsy surgery is the availability of a robust biomarker that identifies the Epileptogenic Zone (EZ). High Frequency ...

Whole-brain Segmentation and Change-point Analysis of Anatomical Brain MRI&#8212;Application in Premanifest Huntington's Disease

Whole-brain Segmentation and Change-point Analysis of Anatomical Brain MRIÃƒÆ’Ã‚Â¢ÃƒÂ¢Ã¢â‚¬Å¡Ã‚Â¬ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã‚ÂApplication in Premanifest Huntington's Disease

Gesamte Gehirn Segmentierung und Change-Point-Analyse der anatomischen Gehirn MRI-Anwendung in Prämanifesten Huntington-Krankheit

Recent advances in MRI offer a variety of useful markers to identify neurodegenerative diseases. In Huntington&#39;s disease (HD), regional brain atrophy ...