Name: brain state-dependent brain stimulation with real-time electroencephalography-triggered transcranial magnetic stimulation
Uploaded: 2019-08-20T14:00:00
Duration: 8 s
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C.Z. würdigt die Unterstützung durch das Klinikwissenschaftliche Programm der Medizinischen Fakultät der Universität Tübingen. U.Z. würdigt die Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (Zuschuss ZI 542/7-1). T.O.B. unterstützt die Deutsche Forschungsgemeinschaft (Zuschuss BE 6091/2-1). J.O.N. würdigt die Unterstützung der Akademie Finnlands (Entscheidungen Nr. 294625 und 306845). Die Autoren würdigen die Unterstützung durch den Open Access Publishing Fund der Universität Tübingen.

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C.Z. und P.C.G. werden teilweise durch ein EXIST-Forschungsstipendium des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (Zuschuss 03EFJBW169) finanziert. C.Z. meldet zusätzliche Anstellungals als Teilzeitbeschäftigter der gemeinnützigen Stiftung medizinische Innovation (Stiftung für Medizininnovationen, Tübingen, Deutschland); eine Tochtergesellschaft dieser Stiftung produziert den in diesem Artikel verwendeten Echtzeitprozessor (Medical Innovations Incubator GmbH, Tübingen, Deutschland).

Hirnzustandsabhängiges EEG-gesteuertes TMS ist eine neuartige Methode mit einzigartigen Perspektiven in Bezug auf Wirksamkeit und Konsistenz der resultierenden Hirnstimulationseffekte8,9,31. Der Hauptvorteil der Methode ist, dass ein funktionell relevanter endogener Hirnzustand gezielt auf die Auslösung des TMS-Pulses ausgerichtet sein kann, wodurch potenziell weniger variable und länger anhaltende Gehirnreaktionen induzieren11. Echtzeit-EEG-ausgelöstes repetitives TMS in der negativen Phase des sensorimotorischen "-Rhythmus" des menschlichen M1 (d. h. der Zustand der erhöhten Corticospinaler Erregbarkeit, Abbildung 2) induzierte eine signifikant stärkere LTP-ähnliche Plastizität (eine langfristige Erhöhung des MEP Amplitude) im Vergleich zu hirnzustandsunabhängigen TMS11,20. Neben dem wissenschaftlichen Nutzen hat die Anwendung von Echtzeit-EEG-TMS in kortikalen Bereichen wie dem dorsolateralen präfrontalen Kortex (DLPFC) das Potenzial, die Wirksamkeit aktueller therapeutischer Hirnstimulationsprotokolle zu erhöhen.
In diesem Manuskript stellten wir die methodischen Schritte zur Umsetzung von Echtzeit-EEG-TMS vor. Grundlegende Anforderungen für die Durchführung von Experimenten mit dieser Methode sind erstens der Einsatz eines TMS-kompatiblen EEG-Systems mit einer Echtzeit-Digitalout-Option und zum anderen der Einsatz von Echtzeit-Signalverarbeitung mit der Implementierung einer Phasenerkennung Algorithmus24, der den gewünschten Hirnrhythmus (z.B. sensorimotorischer -rhythmus) aus dem aufgezeichneten EEG-Signal mittels räumlicher Filter (z.B. C3-zentrierter Laplacian-Filter) extrahiert und Stimulation bei vorgewählten Bedingungen (d.h. Phase und Leistung der angestrebte Hirnrhythmus) erfüllt werden. Die Leistung und Genauigkeit des Algorithmus hängt stark vom SNR der EEG-Aufzeichnung20ab. Daher sind die EEG-Vorbereitungsschritte des Protokolls entscheidend, um einen hohen SNR zu erreichen und eine genaue Auslösung des TMS zu gewährleisten, und eine Vorauswahl der Teilnehmer muss möglicherweise in Betracht gezogen werden, wenn die jeweilige Zielschwingung mit EEG in jeder Einzelne. Darüber hinaus ist die Verwendung von mechanischen Stützarmen für die Spulen und Vakuumkissen zur Immobilisierung des Kopfes des Teilnehmers ratsam, um Artefakte aufgrund des unterschiedlichen Drucks der Spule auf den Elektroden zu minimieren.
Hinsichtlich der Anwendung der Echtzeit-EEG-TMS-Methode in experimentellen Paradigmen kann die Auswahl des Hirnrhythmus variieren. Daher sind Anpassungen der Filterung ratsam, um die Identifizierung der gezielten Hirnaktivität zu erleichtern. Kürzlich wurden mehrere räumliche Filtermethoden vorgeschlagen, um einen funktional relevanten Hirnzustand optimal zu extrahieren (z.B. im Kanalraum19, mit aktueller Quelldichte13, mit lokalen Raumfiltern11,28 und mit individualisierten Filtern, z.B. mit räumlich-spektraler Zersetzung29). Bislang gibt es jedoch keine eindeutige Methode, um aus Oberflächen-EEG-Signalen (Sensorraum) die reale Gehirn-Oszillationsphase (Quellraum) zu extrahieren. Zukünftige Studien, die die Übereinstimmung von Oberflächen- und Quellraumsignalen bewerten, sind gerechtfertigt, um die Genauigkeit von Echtzeit-EEG-Algorithmen zu verbessern.
Während wir uns in diesem Protokoll auf den 8-14-Hz-Sensorimotor-Rhythmus konzentriert haben, um den Einfluss der momentanen Phase dieser Schwingung auf die Corticospinaler Erregbarkeit zu demonstrieren, können auch andere Schwingungen (z. B. Beta-, Theta- oder Infraslow-Oszillationen) eine Rolle spielen. Diese Methode kann grundsätzlich verwendet werden, um die Phase für jede Schwingung zu zielen, die mit einem ausreichenden SNR isoliert werden kann, einschließlich mehrerer überlagerten Schwingungen (z. B. ein negativer Zyklus von Alpha und ein gleichzeitig positiver Peak von Gamma).
Eine wesentliche Einschränkung der Echtzeit-EEG-TMS-Experimente ist, dass die raumzeitliche Auflösung in Bezug auf die Gehirnquellen stark vom Vorkommen des Artefakts und der Konsistenz der Stimulation abhängt. Eine entscheidende Voraussetzung des Protokolls ist daher die Überwachung der Leistung des Algorithmus (d. h. die Sicherstellung, dass die Stimulation beim Nachweis neuronaler und nicht artefaktischer Aktivität während des gesamten Experiments erfolgt). Darüber hinaus ist die Nutzung der Neuronavigation für eine optimale und konsistente Positionierung der Stimulationsspule (insbesondere in experimentellen Paradigmen mit Stimulationsstellen wie dem DLPFC) hilfreich, um die Ansprechvariabilität aufgrund von Variabilität in Spulenposition. Als weitere Einschränkung wird auch darauf hingewiesen, dass speziell ausgewählte und konfigurierte EEG/EMG-, TMS- und Echtzeitverarbeitungsgeräte sowie Erfahrung in der Vorbereitung und Durchführung der Experimente so erforderlich sind, dass externe Reaktionsquellen so minimiert werden, dass externe Reaktionsquellen minimiert werden. Variabilität, die die Wirkung des momentanen Hirnzustands verschleiern kann.
Abschließend haben wir ein Standardprotokoll zur Durchführung von EEG-TMS-Experimenten in Echtzeit demonstriert und eine neuartige Methode zur Nutzung der endogenen Hirnzustände eingeführt (d. h. vorgewählte Phasen und Leistung einer gezielten endogenen Gehirnschwingung). um die Hirnstimulation auszulösen. Weitere Forschungen mit der Echtzeit-EEG-TMS-Methode werden methodische Verbesserungen ermöglichen und die Entwicklung wirksamer Protokolle für die Untersuchung und Modulation menschlicher Gehirnnetzwerke erleichtern.

TMS ist eine etablierte Methode zur nichtinvasiven Hirnstimulation und ermöglicht die spezifische Modulation der laufenden Netzwerkdynamik und Studien von kortikokortischen und kortikospinalen neuronalen Bahnen mit hoher raumzeitlicher Präzision1. Bei der Stimulierung des primären motorischen Kortex (M1) kann die neuronale Reaktion als motorisch evozierte Potentiale (MEPs) sowie TMS-evozierte EEG-Potenziale quantifiziert werden. MdEp können durch Elektromyographie (EMG) der Zielmuskeln aufgezeichnet werden, und ihre Amplitude spiegelt die Corticospinaler Erregbarkeit bei der Stimulierung des primären motorischen Kortex2wider.
Trotz des einzigartigen Potenzials der nichtinvasiven Hirnstimulation als wissenschaftliches Werkzeug zur Untersuchung und Modulation von Gehirnnetzwerken bei gesunden Studienteilnehmern und patientenpatienten leiden TMS-Studien unter großen Studien-zu-Versuch und intra- und interindividuellen Variabilitäten. der evozierten Antworten3,4,5. Insbesondere weisen in TMS-Studien zur Corticospinaler Erregbarkeit und Plastizität MEP-Antworten sowie induzierte Langzeitpotenzierung (LTP) oder Langzeitdepression (LTD)-ähnliche Plastizität eine hohe intrinsische Variabilität auf, selbst wenn die Stimulusparameter sorgfältig kontrolliert werden3,4. Jedoch deuten Daten aus Tierstudien darauf hin, dass die beobachtete Variabilität der Reaktionen nicht auf "zufälliges Rauschen" zurückzuführen ist, sondern auf die schwankenden Hirnzustände zum Zeitpunkt der Stimulation6. Durch die Kombination von TMS mit EEG in einem Echtzeit-Gehirnzustands-abhängigen Stimulationsparadigma (d. h. EEG-gesteuertes TMS) kann der schwankende momentane Hirnzustand zur Optimierung des Stimulus-Timings7,8, 9 , 10.
Mehrere Studien haben die momentane Phase der laufenden neuronalen Schwingungen mit neuronaler Erregbarkeit mit TMS-kompatiblen EEG-Systemen11,12in Verbindung gebracht. Moderne EEG-Verstärker können mit den großen elektromagnetischen TMS-Artefakten umgehen, und für die Kombination von EEG mit TMS13,14 und der Post-hoc-Entfernung von TMS-bezogenem EEG existieren zunehmend etablierte Versuchsprotokolle. Artefakte15,16. Während der Einfluss des prästimulusen Hirnzustands, der von EEG auf TMS-evozierte Reaktionen beurteilt wird, mit zufällig angewendeten TMS-Stimuli bewertet werden kann, die post hoc17,18sortiert sind, kann die sich wiederholende Anwendung von TMS in einem vordefinierten Gehirn erfordert Echtzeit-EEG-gesteuertes TMS11,19.
Hier wird ein benutzerdefiniertes EEG-gesteuertes TMS-Setup mit Millisekundenauflösung verwendet, um TMS-Impulse mit einer vorgegebenen Phase laufender Gehirnschwingungen11zu synchronisieren, was zeigt, dass die negative EEG-Ablenkung des cortical erregbarkeitszustand (was zu größeren MEP-Amplituden führt) im Vergleich zur positiven EEG-Ablenkung8,11,12,20. In diesem Manuskript stellen wir eine Methode zur Durchführung von EEG-gesteuerten TMS-Protokollen in Echtzeit vor, um menschliche Gehirnnetzwerke zu untersuchen.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>EEG and EMG recording systems</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EEG/EMG amplifier&#160;</td>
			<td>NeurOne with Real-time Digital Out, Bittium Biosignals Ltd., Finland</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TMS device&#160;</td>
			<td>MAG &#38; More Research 100, MAG &#38; More GmbH, Munich, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Software&#160;</td>
			<td>Mathworks Simulink Real-Time (Mathworks Ltd, USA)&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereo infrared camera neuronavigation system including reflective head tracker, pointer tool, head tracker</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Experimental control PC that is connected to the EEG system, the TMS stimulator, the real-time device and the neuronavigation system</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EEG electodes, EMG electrodes, syringes, abrasive and conductive gel</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic wrap and adhesive tape</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

brain state-dependent brain stimulation with real-time electroencephalography-triggered transcranial magnetic stimulation

Die Wirkung eines Stimulus für das Gehirn hängt nicht nur von den Parametern des Reizes ab, sondern auch von der Dynamik der Gehirnaktivität zum Zeitpunkt der Stimulation. Die Kombination von Elektroenzephalographie (EEG) und transkranieller Magnetstimulation (TMS) in einem Echtzeit-Hirnzustands-abhängigen Stimulationssystem ermöglicht die Untersuchung der Beziehungen der Dynamik der Gehirnaktivität, kortikalen Erregbarkeit und Plastizitätsinduktion . Hier zeigen wir eine neu entwickelte Methode, um das Timing der Hirnstimulation mit der Phase laufender EEG-Schwingungen mit einem Echtzeit-Datenanalysesystem zu synchronisieren. Dieses Echtzeit-EEG-ausgelöste TMS des menschlichen Motorkortex, wenn TMS mit dem Oberflächen-EEG-Negativpeak des sensorimotorischen -alpha-Rhythmus (8-14 Hz) synchronisiert wird, hat differentiale Kortikalerereritibilitäts- und Plastizitätseffekte gezeigt. Die Verwendung dieser Methode legt nahe, dass Echtzeit-Informationen über den momentanen Gehirnzustand für eine effiziente Plastizitätsinduktion verwendet werden können. Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz eine personalisierte EEG-synchronisierte Hirnstimulation, die zur Entwicklung effektiverer therapeutischer Hirnstimulationsprotokolle führen kann.

Die Verwendung des In-Time EEG-ausgelösten TMS im menschlichen primären motorischen Kortex zeigt differenzielle Corticospinaler Erregbarkeit und Plastizitätseffekte. Mit dem oben beschriebenen Protokoll wurde Echtzeit-EEG-TMS angewendet, wobei TMS mit der laufenden EEG-Oszillationsphase des endogenen sensorimotorischen -Rhythmus in drei Triggerbedingungen (positiver Peak, negativer Peak und Zufallsphase) in randomisierter Reihenfolge in randomisierter Reihenfolge synchronisiert wurde. . Eine laplacische EEG-Montage wurde verwendet, um den sensorimotorischen -Rhythmus zu extrahieren, indem die EEG-Elektrode C3 auf den Durchschnitt von vier umgebenden Elektroden (FC1, FC5, CP1 und CP5) verweist. Abbildung 2a zeigt das durchschnittliche EEG-Vorstimulussignal in den 400 ms vor dem TMS-Impuls für die drei vordefinierten Bedingungen. Die durchschnittlichen Mitglieder des Europäischen Parlaments, die aus den rechten Muskeln stammen, sind in Abbildung 2bdargestellt. Diese Ergebnisse zeigen, dass die negative EEG-Ablenkung des '-Rhythmus einem höheren kortikalen Erregbarkeitszustand (was zu größeren MEP-Amplituden führt) im Vergleich zur positiven EEG-Ablenkung entspricht, mit geringer intertrialer Variabilität des festgestellten Kortikospinalas Erregbarkeitseffekte, dargestellt in Abbildung 2c.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59711/59711fig1.jpg"> Abbildung 1 : Hirnzustandsabhängiges EEG-Phasen-ausgelöstes TMS. Scalp EEG Rohdaten aus einer fünfkanaligen Laplacian Montage zentriert auf der C3-Elektrode über dem linken sensorimotorischen Kortex wurde Probe für Probe durch ein Echtzeit-digitales Signalverarbeitungssystem erfasst. (a) Ein 500-ms-Schiebefenster mit EEG-Daten wurde vom Algorithmus alle 2 ms verarbeitet. (b) Das Signal nach Bandpassfilterung und Entfernung der Kantenartefakte. (c) Das vorwärts vorhergesagte Signal (rote Ablaufverfolgung) basierend auf einem autoregressiven Prognosemodell, das aus dem Datenfenster berechnet wurde. Die Phase zum Zeitpunkt Null ("jetzt") wurde mit einer Hilbert-Transformation geschätzt, die Spektralleistung wurde aus dem Datenfenster geschätzt. Der TMS-Stimulator wurde ausgelöst, wenn eine vordefinierte Phase und spektrale Amplitude-Bedingung erfüllt waren. TMS über dem linken primären Motorkortex führte dazu, dass Abgeordnete in rechten Muskeln mit DerOberfläche EMG aufgezeichnet wurden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59711/59711fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59711/59711fig2.jpg"> Abbildung 2: Daten eines vorbildlichen Fachs, das über die linke M EEG-ausgelöste TMS in Echtzeit erhalten hat 1 , die auf die Phase der 10 Hz-Sensorik-Rhythmus. Jeweils hundert Reize wurden nach drei Phasen-Trigger-Bedingungen (positiver Peak, negativer Peak und Zufallsphase) in Kombination mit einer konstanten minimalen Spektralleistungsschwellenbedingung von mindestens 10 Hz in randomisierter Reihenfolge mit einem intertrialen Intervall von ca. 3 s. Eine laplacische EEG-Montage wurde verwendet, um den sensorimotorischen -Rhythmus zu extrahieren, indem die EEG-Elektrode C3 auf den Durchschnitt von vier umgebenden Elektroden (FC1, FC5, CP1 und CP5) verweist. (a) Durchschnittliches Vorstimulus-EEG-Signal in den 400 ms vor dem TMS-Impuls für die drei Bedingungen. (b) Durchschnittliche EMG-Spur des motorisch evozierten Potentials (MEP), die vom rechten Entführer pollicis brevis Muskel für jede Erkrankung aufgezeichnet wurde. (c) Peak-to-Peak MEP Amplitude (in Mikrovolt) jeder Studie im Laufe der Zeit, pro Triggerbedingung. Beachten Sie, dass die MdEP in der negativen Spitzenbedingung am größten sind, am kleinsten in der positiven Spitzenbedingung und zwischengeschaltet in der Zufallsphasenbedingung. (d) Die mittlere MEP-Amplitude in jeder Bedingung wird mit Fehlerbalken angezeigt, die den Standardfehler des Mittelwerts veranschaulichen. Beachten Sie, dass ein Teilnehmer mit einem besonders eindeutigen Effekt zur Veranschaulichung ausgewählt wurde und dass diese Effektgröße nicht repräsentativ für den Gruppendurchschnitt ist. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59711/59711fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>

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Brain State-dependent Brain Stimulation with Real-time Electroencephalography-Triggered Transcranial Magnetic Stimulation

Hirnzustandsabhängige Hirnstimulation mit Echtzeit-Elektroenzephalographie-Triggered Transkranial Magnetic Stimulation

Dieser Beitrag beschreibt die in Echtzeit elektroenzephalographie ausgelöste transkranielle magnetische Stimulation, um menschliche Gehirnnetzwerke zu untersuchen und zu modulieren.

The effect of a stimulus to the brain depends not only on the parameters of the stimulus but also on the dynamics of brain activity at the time of the ...

Die Methode kombiniert EEG und TMS für die Echtzeit-Hirnzustandabhängige Hirnstimulation. Dadurch können die TMS-Pakete mit einer bestimmten Phase laufender endogener Gehirnschwingungen synchronisiert werden. Die Hirnstimulation ist eine Technik zur Modulation des Gehirns durch Die Synchronisation einzelner TMS-Impulse mit einem spezifischen EEG-definierten Hirnzustand.Die Wirkung der Stimulation kann optimiert werden. Standard TMS wird bereits zur Behandlung neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen wie Schlaganfall und Depression eingesetzt. EEG-synchronisiertes TMS hat das Potenzial, die Behandlungsergebnisse mit personalisierten Stimulationsprotokollen zu verbessern.Wir verwenden auch EEG-synchronisiertes TMS, um die grundlegende Neurophysiologie der Gehirnschwingungen im Menschen zu untersuchen, indem wir die Effekte vergleichen, die Reize haben, die identisch sind, aber während verschiedener Hirnzustände angewendet werden. Die Effekte können subtil sein und werden leicht von anderen Quellen der experimentellen Variabilität ausgewaschen. Wir fanden heraus, dass eine niedrige Stimulusintensität am besten funktioniert, um die Wirkung des sensorischen motorischen Rhythmus auf die kortikale Wirbelsäulenerregbarkeit zu beobachten.Zur Durchführung eines Closed-Loop-Experiments wird die Hirnaktivität durch EEG-Potenziale von der Kopfhautoberfläche aufgezeichnet, die von einem EEG-Verstärker digitalisiert werden. Das Signal geht dann an die EEG-Haupteinheit und von dort an das Echtzeitgerät, das den Stimulator steuert, wodurch die Signalschleife zwischen Messung und Modulation der Gehirnaktivität geschlossen wird. Das Echtzeitgerät analysiert die EEG-Schwingungen und sendet ein Triggersignal an den TMS-Stimulator, wenn eine vorgegebene Triggerbedingung erfüllt ist, um einen kurzen Stromimpuls durch die TMS-Spule zu leiten, die auf dem Kopf platziert wird.Während des Experiments wird die Position der Spule auf dem Kopf mit einem Neuronavigationsgerät überwacht. Schließen Sie den Echtzeitausgang des EEG-Systems an den Echtzeit-Geräteeingang an und verbinden Sie den Ausgang des Echtzeitgeräts mit dem Triggereingang des TMS-Stimulaators. Registrieren Sie den Studienteilnehmer im System, um sicherzustellen, dass das Protokoll dem Layout der EEG-Kappe entspricht und dass die entsprechenden Kanäle an die Echtzeitausgabe gesendet werden.Auf dem Computer, der das Echtzeitgerät steuert, laden Sie die Software, um das Echtzeitgerät zu steuern und sicherzustellen, dass die Echtzeit-Eingabekanäle mit der Konfiguration des EEG-Systems übereinstimmen. Schalten Sie dann den TMS-Stimulator ein und stellen Sie die Konfiguration auf externe auslösungsweite an. Um die Spulenposition zu überwachen und ein genaues und konsistentes TMS-Targeting innerhalb und über Sitzungen hinweg zu erreichen, laden Sie die einzelnen strukturellen MRT-Daten in die Navigationssystemsoftware, bevor sie für jeden Teilnehmer mit dem Experiment beginnen.Befestigen Sie dann einen Spulentracker an der Stimulationsspule und kalibrieren Sie die Spule. Wenn das System fertig ist, legen Sie eine entsprechend dimensionierte EEG-Kappe auf den Kopf des Studienteilnehmers und verwenden Sie Dasmam, um die Kappe richtig zu positionieren. Schieben Sie das Haar zur Seite, so dass die Kopfhaut sichtbar ist und bereiten Sie die Kopfhaut mit einer abrasiven Gelanwendung vor.Als nächstes leitendes Gel auf die Elektroden auftragen und überprüfen, ob die EEG-Elektrodenimpedanzen unter fünf Kiloohm liegen. Bedecken Sie die EEG-Kappe mit Plastikfolie und passen Sie eine Netzkappe über der Kunststofffolie an, um die Kabel in einer festen Position zu halten, um die Variabilität des EEG-Artefakts zu reduzieren. Tragen Sie dann Klebeband auf, um die Stabilität der mehreren Schichten zu erhöhen, und bedecken Sie einen reflektierenden Headtracker auf den Kopf des Motivs, um die Stabilität während des gesamten Experiments zu gewährleisten.Befestigen Sie die Oberfläche EMG-Elektroden an den gereinigten und abgeriebenen Zielmuskeln und inspizieren Sie die laufenden EEG- und EMG-Signale visuell auf schlechte Elektroden. Halten Sie die bipolaren EMG-Kabel dicht beieinander und nah am Körper des Studienteilnehmers, um die Aufnahme von Leitungsgeräuschen zu reduzieren. Verwenden Sie dann das Zeigerwerkzeug, um das Kopfmodell mit den relevanten anatomischen Landmarken zu registrieren und die EEG-Sensorpositionen zu lokalisieren, um die nachfolgende Abschätzung der einzelnen Quellen der EEG-Aktivität zu ermöglichen.Um ein EEG-synchronisiertes TMS-Experiment in Echtzeit durchzuführen, bestimmen Sie zunächst den genauen Ort, an dem das TMS des Motorkortex die stärkste motorische Reaktion der Handmuskeln hervorruft. Markieren Sie dann diesen Hotspot und diese Spulenposition in der Neuronavigationssoftware. Als nächstes den Kopf des Motivs mit einem Vakuumkissen fixieren und die Spule in der Hotspot-Position mit einem mechanischen Arm fixieren.Um die Schwellenstimulationsintensität zu bestimmen, passen Sie die Stimulationsintensität schrittweise an, bis 50 % der TMS-Impulse zu einer motorischen Reaktion führen. Hier wurde die Intensität auf 110% der Schwellenintensität eingestellt. Um das Echtzeitsystem so zu konfigurieren, dass mehrere EEG-Kanäle kombiniert werden, um eine bestimmte Schwingung zu extrahieren, verwenden Sie einen fünfkanaligen laplacischen Spacial-Filter, der auf der Elektrode C3 zentriert ist, um sensorischen Motorrhythmus zu extrahieren.Um TMS entweder an der positiven oder negativen Spitze dieser Schwingung auszulösen, stellen Sie die Phase-Trigger-Bedingung auf Phase Null oder Phase pi zufällig für jede Studie ein, bevor Sie das Echtzeitgerät bewaffnen und die Sequenz alle zwei Sekunden auf einer Schleife wiederholen. Führen Sie dann das Experiment etwa 10 Minuten durch, um eine ausreichende Anzahl von Studien zu erhalten, um phasenspezifische Stimulationseffekte zu unterscheiden. Während des Experiments wird die Spulenposition auf dem Neuronavigationssystem überwacht und die EEG- und EMG-Signale auf dem EEG-System überwacht.Die Rohdaten sowie das Vorstimulus-EEG und die Post-Stimulus-Muskelreaktion für jede Erkrankung werden ebenfalls im EEG-System angezeigt. Das Echtzeitgerät führt räumliche Filterung durch, um die von Interesse entfernte Hirnregion und die Bandpassfilterung zu zielen, um die Schwingung von Interesse zu isolieren, und schätzt die momentane Amplitude und Phase mit autoregressiver Vorwärtsvorhersage und der Hilbert-Transformation ab. Dieses Signal wird dann mit der Triggerbedingung verglichen.Wenn die Leistungsschwelle und die Phasenbedingungen erfüllt sind, wird der Stimulator ausgelöst. Anhand der angezeigten Online-Laufdurchschnitte können die Genauigkeit des Phasen-Targetings und die Auswirkungen der Phase auf die Muskelreaktion während des Experiments geschätzt werden. In diesen Zahlen wird ein durchschnittliches EEG-Signal vor dem Stimulus in den 400 Millisekunden vor dem TMS-Impuls für drei vordefinierte Bedingungen und durchschnittlich eitel motorisch evozierte Potentiale angezeigt, die von den rechten Muskeln aufgezeichnet wurden.Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass die negative EEG-Ablenkung des Mikrorhythmus einem höheren kortikalen Erregbarkeitszustand entspricht, der zu größeren motorisch evozierten Potentialamplituden führt, verglichen mit der positiven EEG-Ablenkung mit einer geringen intertrialen Variabilität der festgestellten Corticospinal-Erregbarkeitseffekte. Wir brauchen ein stabiles und sauberes EEG-Signal. Der Schlüssel ist ein gut vorbereiteter Studienteilnehmer, der entspannt, komfortabel und still sitzen kann.Dies ist eine einfach zu bedienende Plug-and-Play-Methode, um zu untersuchen, ob groß angelegte kortikale Konnektivitätszustände kausale Effekte in Störungsexperimenten haben. Betrachtet man eine lokalisierte Schwingung, das ist nur der erste Schritt. Wir konnten Erkenntnisse aus dieser Technik verwenden, um zu zeigen, dass sich wiederholende TMS einen negativen Höhepunkt der laufenden sensorischen motorischen Schwingungen ergebnisse und langfristige Potenzierung wie Plastizität haben.TMS ist ein sicheres und schmerzloses Verfahren. Eine sehr seltene Nebenwirkung ist ein epileptischer Anfall bei gefährdeten Personen und gelegentlich leichte vorübergehende Kopfschmerzen können auftreten.

Research

JoVE Journal

Behavior

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) with Auditory Stimulation in Songbirds

Functional Magnetic Resonance Imaging fMRI with Auditory Stimulation in Songbirds

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) mit Auditive Stimulation in Singvögel

The neurobiology of birdsong, as a model for human speech, is a pronounced area of research in behavioral neuroscience. Whereas electrophysiology and ...

Forschung

Verhalten

Simultaneous EEG Monitoring During Transcranial Direct Current Stimulation

Simultane EEG Überwachung Während transkranielle Gleichstrom-Stimulation

Transcranial  direct current stimulation (tDCS) is a technique that delivers weak electric  currents through the scalp. This constant electric current ...

Stimulating the Lip Motor Cortex with Transcranial Magnetic Stimulation

Förderung der Lip Motor Cortex mit Transkranielle Magnetstimulation

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has proven to be a useful tool in investigating the role of the articulatory motor cortex in speech perception. ...

Transcranial Direct Current Stimulation and Simultaneous  Functional Magnetic Resonance Imaging

Transkranielle Gleichstromstimulation und Simultan Functional Magnetic Resonance Imaging

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a noninvasive brain stimulation technique that uses weak electrical currents administered to the scalp ...

Transcranial Magnetic Stimulation for Investigating Causal Brain-behavioral Relationships and their Time Course

Transkranielle Magnetstimulation zur Untersuchung Kausal Brain-Verhaltens-Beziehungen und deren Zeitverlauf

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a safe, non-invasive brain stimulation technique that uses a strong electromagnet in order to temporarily ...

Modulating Cognition Using Transcranial Direct Current Stimulation of the Cerebellum

Stetig Cognition Mit Transkranielle Gleichstromstimulation des Kleinhirns

Numerous studies have emerged recently that demonstrate the possibility of modulating, and in some cases enhancing, cognitive processes by exciting brain ...

Combined Shuttle-Box Training with Electrophysiological Cortex Recording and Stimulation as a Tool to Study Perception and Learning

Kombinierte Shuttle-Box-Training mit Elektrophysiologische Cortex Ableitung und Stimulation als ein Instrument zur Wahrnehmung und Lernen Studie

Shuttle-box avoidance learning is a well-established method in behavioral neuroscience and experimental setups were traditionally custom-made; the ...

Vagus Nerve Stimulation as a Tool to Induce Plasticity in Pathways Relevant for Extinction Learning

Vagusnervstimulation als Instrument zur Plastizität in Pathways Relevant für Extinction Learning herbei

Extinction describes the process of attenuating behavioral responses to neutral stimuli when they no longer provide the reinforcement that has been ...

Neuronavigation-guided Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation for Aphasia

Neuronavigation geführte Repetitive transkranielle Magnetstimulation für Aphasie

Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is widely used for several neurological conditions, as it has gained acknowledgement for its potential ...

Concurrent Electroencephalography Recording During Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS)

Concurrent Electroencephalography Recording During Transcranial Alternating Current Stimulation tACS

Concurrent Elektroenzephalographie Recording Während Transkranielle Alternating Current Stimulation (TAC)

Oscillatory brain activities are considered to reflect the basis of rhythmic changes in transmission efficacy across brain networks and are assumed to ...