Name: brain state-dependent brain stimulation with real-time electroencephalography-triggered transcranial magnetic stimulation
Uploaded: 2019-08-20T14:00:00
Duration: 8 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Brain State-dependent Brain Stimulation with Real-time Electroencephalography-Triggered Transcranial Magnetic Stimulation at JoVE.com

C.Z. מודה בתמיכה מתוכנית המדען הקליני של הפקולטה לרפואה, אוניברסיטת טיבינגן. אקדמות מכיר תמיכה מקרן המחקר הגרמני (להעניק ZI 542/7-1). T.O.B. מודה בתמיכה מקרן המחקר הגרמני (גרנט BE 6091/2-1). J.O.N. מודה תמיכה מהאקדמיה של פינלנד (החלטות No. 294625 ו 306845). המחברים מכירים בתמיכת הקרן לפרסום גישה פתוחה של אוניברסיטת טיבינגן.

<ol>
	<li>Hallett, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transcranial+magnetic+stimulation:+a+primer.">Transcranial magnetic stimulation: a primer.</a> Neuron. 55 (2), 187-199 (2007).</li><li>Barker, A. T., Jalinous, R., Freeston, I. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-invasive+magnetic+stimulation+of+human+motor+cortex.">Non-invasive magnetic stimulation of human motor cortex.</a> Lancet. 1 (8437), 1106-1107 (1985).</li><li>Lopez-Alonso, V., Cheeran, B., R&#237;o-Rodr&#237;guez, D., Fernandez-del-Olmo, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inter-individual+variability+in+response+to+non-invasive+brain+stimulation+paradigms.">Inter-individual variability in response to non-invasive brain stimulation paradigms.</a> Brain Stimulation. 7 (3), 372-380 (2014).</li><li>Muller-Dahlhaus, J. F., Orekhov, Y., Liu, Y., Ziemann, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interindividual+variability+and+age-dependency+of+motor+cortical+plasticity+induced+by+paired+associative+stimulation.">Interindividual variability and age-dependency of motor cortical plasticity induced by paired associative stimulation.</a> Experimental Brain Research. 187 (3), 467-475 (2008).</li><li>Ziemann, U., Siebner, H. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inter-subject+and+inter-session+variability+of+plasticity+induction+by+non-invasive+brain+stimulation:+Boon+or+bane?.">Inter-subject and inter-session variability of plasticity induction by non-invasive brain stimulation: Boon or bane?.</a> Brain Stimulation. 8 (3), 662-663 (2015).</li><li>Arieli, A., Sterkin, A., Grinvald, A., Aertsen, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamics+of+ongoing+activity:+explanation+of+the+large+variability+in+evoked+cortical+responses.">Dynamics of ongoing activity: explanation of the large variability in evoked cortical responses.</a> Science. 273 (5283), 1868-1871 (1996).</li><li>Thut, G., Ives, J. R., Kampmann, F., Pastor, M. A., Pascual-Leone, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+device+and+protocol+for+combining+TMS+and+online+recordings+of+EEG+and+evoked+potentials.">A new device and protocol for combining TMS and online recordings of EEG and evoked potentials.</a> Journal of Neuroscience Methods. 141 (2), 207-217 (2005).</li><li>Zrenner, C., Belardinelli, P., M&#252;ller-Dahlhaus, F., Ziemann, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Closed-Loop+Neuroscience+and+Non-Invasive+Brain+Stimulation:+A+Tale+of+Two+Loops.">Closed-Loop Neuroscience and Non-Invasive Brain Stimulation: A Tale of Two Loops.</a> Frontiers in Cellular Neuroscience. 10, 92 (2016).</li><li>Bergmann, T. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain+State-Dependent+Brain+Stimulation.">Brain State-Dependent Brain Stimulation.</a> Frontiers in Psychology. 9, 2108 (2018).</li><li>Matthews, P. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+firing+on+the+excitability+of+a+model+motoneurone+and+its+implications+for+cortical+stimulation.">The effect of firing on the excitability of a model motoneurone and its implications for cortical stimulation.</a> Journal of Physiology. 518 (Pt 3), 867-882 (1999).</li><li>Zrenner, C., Desideri, D., Belardinelli, P., Ziemann, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+EEG-defined+excitability+states+determine+efficacy+of+TMS-induced+plasticity+in+human+motor+cortex.">Real-time EEG-defined excitability states determine efficacy of TMS-induced plasticity in human motor cortex.</a> Brain Stimulation. 11 (2), 374-389 (2018).</li><li>Stefanou, M. I., Desideri, D., Belardinelli, P., Zrenner, C., Ziemann, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phase+Synchronicity+of+mu-Rhythm+Determines+Efficacy+of+Interhemispheric+Communication+Between+Human+Motor+Cortices.">Phase Synchronicity of mu-Rhythm Determines Efficacy of Interhemispheric Communication Between Human Motor Cortices.</a> Journal of Neuroscience. 38 (49), 10525-10534 (2018).</li><li>Berger, B., Minarik, T., Liuzzi, G., Hummel, F. C., Sauseng, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=EEG+oscillatory+phase-dependent+markers+of+corticospinal+excitability+in+the+resting+brain.">EEG oscillatory phase-dependent markers of corticospinal excitability in the resting brain.</a> BioMed Research International. 2014, 936096 (2014).</li><li>Keil, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cortical+brain+states+and+corticospinal+synchronization+influence+TMS-evoked+motor+potentials.">Cortical brain states and corticospinal synchronization influence TMS-evoked motor potentials.</a> Journal of Neurophysiology. 111 (3), 513-519 (2014).</li><li>Rogasch, N. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysing+concurrent+transcranial+magnetic+stimulation+and+electroencephalographic+data:+A+review+and+introduction+to+the+open-source+TESA+software.">Analysing concurrent transcranial magnetic stimulation and electroencephalographic data: A review and introduction to the open-source TESA software.</a> NeuroImage. 147, 934-951 (2017).</li><li>Herring, J. D., Thut, G., Jensen, O., Bergmann, T. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Attention+Modulates+TMS-Locked+Alpha+Oscillations+in+the+Visual+Cortex.">Attention Modulates TMS-Locked Alpha Oscillations in the Visual Cortex.</a> Journal of Neuroscience. 35 (43), 14435-14447 (2015).</li><li>Romei, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spontaneous+fluctuations+in+posterior+alpha-band+EEG+activity+reflect+variability+in+excitability+of+human+visual+areas.">Spontaneous fluctuations in posterior alpha-band EEG activity reflect variability in excitability of human visual areas.</a> Cerebral Cortex. 18 (9), 2010-2018 (2008).</li><li>Sauseng, P., Klimesch, W., Gerloff, C., Hummel, F. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spontaneous+locally+restricted+EEG+alpha+activity+determines+cortical+excitability+in+the+motor+cortex.">Spontaneous locally restricted EEG alpha activity determines cortical excitability in the motor cortex.</a> Neuropsychologia. 47 (1), 284-288 (2009).</li><li>Bergmann, T. O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=EEG-guided+transcranial+magnetic+stimulation+reveals+rapid+shifts+in+motor+cortical+excitability+during+the+human+sleep+slow+oscillation.">EEG-guided transcranial magnetic stimulation reveals rapid shifts in motor cortical excitability during the human sleep slow oscillation.</a> Journal of Neuroscience. 32 (1), 243-253 (2012).</li><li>Schaworonkow, N., Triesch, J., Ziemann, U., Zrenner, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=EEG-triggered+TMS+reveals+stronger+brain+state-dependent+modulation+of+motor+evoked+potentials+at+weaker+stimulation+intensities.">EEG-triggered TMS reveals stronger brain state-dependent modulation of motor evoked potentials at weaker stimulation intensities.</a> Brain Stimulation. 12 (1), 110-118 (2019).</li><li>Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Safety+of+TMS+Consensus+Group.+Safety,+ethical+considerations,+and+application+guidelines+for+the+use+of+transcranial+magnetic+stimulation+in+clinical+practice+and+research.">Safety of TMS Consensus Group. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research.</a> Clinical Neurophysiology. 120 (12), 2008-2039 (2009).</li><li>Kanal, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ACR+guidance+document+for+safe+MR+practices:+2007.">ACR guidance document for safe MR practices: 2007.</a> American Journal of Roentgenology. 188 (6), 1447-1474 (2007).</li><li>Oldfield, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+assessment+and+analysis+of+handedness:+The+Edinburgh+inventory.">The assessment and analysis of handedness: The Edinburgh inventory.</a> Neuropsychologia. 9 (1), 97-113 (1971).</li><li>Chen, L. L., Madhavan, R., Rapoport, B. I., Anderson, W. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+brain+oscillation+detection+and+phase-locked+stimulation+using+autoregressive+spectral+estimation+and+time-series+forward+prediction.">Real-time brain oscillation detection and phase-locked stimulation using autoregressive spectral estimation and time-series forward prediction.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 60 (3), 753-762 (2013).</li><li>Habibollahi Saatlou, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+open-source+MATLAB+toolbox+for+external+control+of+transcranial+magnetic+stimulation+devices.">An open-source MATLAB toolbox for external control of transcranial magnetic stimulation devices.</a> Brain Stimulation. 11 (5), 1189-1191 (2018).</li><li>Lioumis, P., Zomorrodi, R., Hadas, I., Daskalakis, Z. J., Blumberger, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combined+Transcranial+Magnetic+Stimulation+and+Electroencephalography+of+the+Dorsolateral+Prefrontal+Cortex.">Combined Transcranial Magnetic Stimulation and Electroencephalography of the Dorsolateral Prefrontal Cortex.</a> Journal of Visualized Experiments. (138), e57983 (2018).</li><li>Mishory, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+maximum-likelihood+strategy+for+determining+transcranial+magnetic+stimulation+motor+threshold,+using+parameter+estimation+by+sequential+testing+is+faster+than+conventional+methods+with+similar+precision.">The maximum-likelihood strategy for determining transcranial magnetic stimulation motor threshold, using parameter estimation by sequential testing is faster than conventional methods with similar precision.</a> The Journal of Electroconvulsive Therapy (ECT). 20 (3), 160-165 (2004).</li><li>Thies, M., Zrenner, C., Ziemann, U., Bergmann, T. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sensorimotor+mu-alpha+power+is+positively+related+to+corticospinal+excitability.">Sensorimotor mu-alpha power is positively related to corticospinal excitability.</a> Brain Stimulation. 11 (5), 1119-1122 (2018).</li><li>Schaworonkow, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=&#956;-Rhythm+Extracted+With+Personalized+EEG+Filters+Correlates+With+Corticospinal+Excitability+in+Real-Time+Phase-Triggered+EEG-TMS.">&#956;-Rhythm Extracted With Personalized EEG Filters Correlates With Corticospinal Excitability in Real-Time Phase-Triggered EEG-TMS.</a> Frontiers in Neuroscience. 12, 954 (2018).</li><li>Hjorth, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+on-line+transformation+of+EEG+scalp+potentials+into+orthogonal+source+derivations.">An on-line transformation of EEG scalp potentials into orthogonal source derivations.</a> Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 39 (5), 526-530 (1975).</li><li>Bergmann, T. O., Karabanov, A., Hartwigsen, G., Thielscher, A., Siebner, H. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combining+non-invasive+transcranial+brain+stimulation+with+neuroimaging+and+electrophysiology:+Current+approaches+and+future+perspectives.">Combining non-invasive transcranial brain stimulation with neuroimaging and electrophysiology: Current approaches and future perspectives.</a> NeuroImage. 140, 4-19 (2016).</li></ol>

C.Z. ו P.C.G. ממומנים חלקית באמצעות העברה קיימת של מלגת מחקר על ידי המשרד הפדרלי הגרמני לעניינים כלכליים ואנרגיה (גרנט 03EFJBW169). C.Z. מדווחת על תעסוקה נוספת כעובד במשרה חלקית של הקרן לחדשנות רפואית שאינה למטרות רווח (Stiftung, מדינגן, גרמניה); חברת בת של קרן זו מייצרת את המעבד בזמן אמת הנמצא בשימוש במאמר זה (GmbH החממה לחדשנות רפואית, טיבינגן, גרמניה).

המוח-המדינה תלוי EEG-מופעלות TMS היא שיטה הרומן עם פרספקטיבות ייחודיות ביחס ליעילות ועקביות של ההשפעות שלאחר גירוי המוח8,9,31. היתרון העיקרי של השיטה היא כי מדינת המוח הרלוונטי מבחינה פונקציונלית עשוי להיות ממוקד במיוחד כדי להפעיל את הדופק TMS, גרימת משתנה פוטנציאלי פחות ומתמשך יותר תגובות המוח11. בזמן אמת-EEG-המופעל חוזרים TMS בשלב שלילי של sensorimotor μ-קצב של M1 אנושי (כלומר, המצב של מוגברת corticospinal היכולת הגוברת, איור 2) המושרה באופן משמעותי חזק יותר ltp הפלסטיות (עלייה ארוכת טווח של mep משרעת) לעומת המוח-המדינה עצמאי TMS11,20. בנוסף לכלי המחקר המדעי שלה, היישום של EEG-TMS בזמן אמת לאזורים הקורטיקליים, כגון קליפת המוח הקדם-חזיתית (DLSOLA), יש את הפוטנציאל להגדיל את האפקטיביות של הנוכחי הטיפול הרפואי של פרוטוקולים של גירוי מוחי.
בכתב יד זה, הצגנו את הצעדים התודולוגיים ליישום של EEG-TMS בזמן אמת. הדרישות הבסיסיות עבור הולכה של ניסויים עם שיטה זו הם, הראשון, השימוש במערכת EEG תואמת TMS עם אפשרות דיגיטלית בזמן אמת החוצה ו, השני, השימוש בזמן אמת עיבוד אותות עם יישום של זיהוי פאזה אלגוריתם24, אשר מחלץ את קצב המוח הרצוי (למשל, sensorimotor μ-קצב) מן האות EEG מוקלט באמצעות מסננים מרחביים (g., C3-ממורכז לפלסיאן מסנן) ומיישם גירוי כאשר התנאים הנבחרים (כלומר, שלב וכוח של קצב המוח המיועד) מתקיימים. הביצועים והדיוק של האלגוריתם תלויים בחוזקה על SNR של הקלטת EEG20. כך, את צעדי ההכנה EEG של הפרוטוקול הם חיוניים כדי להשיג SNR גבוהה ולהבטיח הפעלה מדויקת של TMS, ומבחר מראש של המשתתפים אולי צריך להיחשב אם תנודות היעד המתאים אינו נצפה מספיק עם EEG ב כל פרט. יתרה מזאת, השימוש בזרועות תמיכה מכנית לסלילים וכריות ואקום כדי לשתק את ראשו של המשתתף רצוי, על מנת למזער את הממצאים עקב הלחץ המשתנה של הסליל על האלקטרודות.
לגבי היישום של שיטת ה-EEG-TMS בזמן אמת בתפיסות נסיוניות, הבחירה של הקצב המוחי של הריבית עשויה להשתנות. לפיכך, התאמות של הסינון מומלץ להקל על זיהוי של פעילות המוח ממוקד. לאחרונה, כמה שיטות סינון מרחביים הוצעו בצורה אופטימלית לחלץ מדינה רלוונטית מבחינה פונקציונלית (g., בחלל הערוץ19, עם צפיפות המקור הנוכחי13, עם מסננים מרחביים מקומי11,28 , ובעזרת מסננים אינדיווידואליזציה, לדוגמה, פירוק ספקטרלי מרחבי,29). עם זאת, עד כה, לא קיים שיטה חד משמעית כדי לחלץ מן המשטח אותות EEG (חלל חיישן) בשלב האמיתי-תנודות המוח (חלל המקור). מחקרים עתידיים כי להעריך את התכתובת של משטח ואותות החלל מקור מוצדקת כדי לשפר את הדיוק של אלגוריתמים בזמן אמת של EEG.
ואילו בפרוטוקול זה יש לנו התמקדות 8-14-Hz sensorimotor μ-הקצב כדי להדגים את ההשפעה של השלב המיידי של תנודות זה על corticospinal היכולת, תנודות אחרות (למשל, ביתא, תטא, או בתשתית איטית של תנודות) יכול גם שחק תפקיד. שיטה זו יכולה, בעיקרון, לשמש למטרה למקד את השלב עבור כל תנודה שניתן לבודד עם SNR מספיק, כולל מספר רב של תנודות על גבי (למשל, מחזור שלילי של אלפא ושיא חיובי בו של גמא).
אחד המגבלה העיקרית של הניסויים EEG-TMS בזמן אמת הוא כי הרזולוציה הטמפורלית ביחס למקורות המוח הוא תלוי מאוד בהתרחשות החפץ ועקביות של גירוי. לפיכך, תנאי מוקדם ביקורתי לפרוטוקול הוא הפיקוח על ביצוע האלגוריתם (כלומר, הקפדה על הגירוי הנובע מגילוי של הפעילות העצבית ולא מעשייה במהלך הניסוי). יתרה מזאת, הניצול של השימוש העצבי למיקום אופטימלי ועקבי של סליל הגירוי (בעיקר בתפיסות נסיוניות המשתמשות באתרי גירוי כגון dlpfc) מועיל להפחתת השתנות התגובה עקב שינויים ב . מיקום הסליל הערה גם, כמגבלה נוספת, כי במפורש שנבחרו והגדיר EEG/EMG, TMS, והתקני עיבוד בזמן אמת נדרשים, יחד עם ניסיון בהכנת וניהול הניסויים באופן כזה למזער מקורות חיצוניים של תגובה שינויים שעשויים להסוות את ההשפעה של מצב מוחי מיידי.
לסיכום, הצגנו פרוטוקול סטנדרטי לביצוע ניסויים EEG-TMS בזמן אמת והציג שיטה הרומן לניצול מצבי המוח האנדוגניים של העניין (כלומר, שלבים מראש שנבחרו וכוח של תנודות המוח ממוקד) להפעיל גירוי מוחי. מחקר נוסף באמצעות השיטה EEG-TMS בזמן אמת יאפשר שיפורים מתודולוגיים ולהקל על פיתוח פרוטוקולים יעילים למחקר ואפנון של רשתות המוח האנושי.

TMS היא שיטה מבוססת היטב עבור גירוי מוחי לא פולשני ומאפשר אפנון מסוים של דינמיקה רשת מתמשכת ומחקרים של corticocortical ו corticospinal מסלולים עצביים עם דיוק זמן מדויקת1. כאשר מעוררים את קליפת המוח העיקרית (M1), התגובה העצבית יכולה להיות כמותית כפוטנציאלים מעוררים מוטוריים (MEPs), כמו גם TMS-מעורר הפוטנציאל EEG. MEPs ניתן להקליט על ידי אלקטרומגרפיה (EMG) של שרירי היעד, ואת משרעת שלהם משקף corticospinal עירור היכולת כאשר מגרה את קליפת המנוע העיקרית2.
למרות הפוטנציאל הייחודי של גירוי מוחי לא פולשני ככלי מדעי לחקור ולווסת רשתות המוח בקרב משתתפי המחקר בריאים ובחולים, מחקרים TMS סובלים מניסוי גדול למשפט, פנים ובפרט השונות מתוך תגובות מעורר3,4,5. באופן ספציפי, במחקרים TMS של corticospinal היכולת והפלסטיות, תגובות MEP, כמו גם המושרה לטווח ארוך הפוטנציאל (LTP)-או דיכאון לטווח ארוך (בע מ)-כמו פלסטיות, התערוכה השונות הפנימית גבוה, גם כאשר את הפרמטרים הגירוי נשלטים בקפידה3,4. עם זאת, ראיות ממחקרים בעלי חיים עולה כי השינויים הנצפים של תגובות אינו מייחס "רעש אקראי" אלא במקום זאת קשורה למצבי המוח התנודות בזמן גירוי6. בהתאם, על ידי שילוב TMS עם EEG ב-בזמן אמת המוח התלוי התפיסה גירוי (כלומר, EEG-מופעלות TMS), המצב המוח מיידי תנודות ניתן להשתמש כדי למטב את העיתוי הגירוי7,8, מיכל בן 10 , . בסדר, עשר
מספר מחקרים הקשורים בשלב מיידי של תנודות עצביות מתמשך היכולת להיות מרגש עצבי באמצעות TMS מערכות EEG תואם11,12. מגבר EEG מודרני יכול להתמודד עם הפריטים האלקטרומגנטית TMS גדול, ויותר ויותר הוקמה פרוטוקולים ניסיוניים קיימים עבור שילוב של EEG עם TMS13,14 ואת ההסרה הפוסט הוק של הקשורות TMS eeg חפצים15,16. בעוד ההשפעה של המצב prestimulus המוח כפי שמוערך על ידי EEG ב TMS-התגובות מעורר ניתן להעריך באופן אקראי TMS גירויים כי הם ממוינים בפוסט הוק17,18, היישום חוזר של TMS במוח מוגדר מראש המדינה דורשת TMS. בזמן אמת11,19
כאן, התקנה מותאמת אישית של מילי-שניה-TMS הפעלת EEG משמש כדי לסנכרן פולסים TMS עם שלב מראש של תנודות המוח מתמשך11, הוכחת כי הטיה EEG שלילית של הקצב μ-alpha מתאים גבוה יותר המדינה הגדולה ביותר בקליפת המוח (המובילה להגברה משמעותית) לעומת הסטיה החיובית8,11,12,20. בכתב יד זה, אנו מציגים שיטה לביצוע פרוטוקולים TMS המופעל בזמן אמת כדי ללמוד רשתות המוח האנושי.

<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

השפעת גירוי במוח תלויה לא רק בפרמטרים של הגירוי אלא גם בדינמיקה של פעילות המוח בזמן הגירוי. השילוב של אלקטרונצגרפיה (EEG) וגירוי מגנטי transcranial (TMS) במערכת גירוי בזמן אמת תלויי המדינה, מאפשר לימוד של יחסי דינמיקה של פעילות מוחית, עירור הקליפת המוח והאינדוקציה הפלסטיות . כאן, אנו מדגימים שיטה חדשה שפותחה כדי לסנכרן את העיתוי של גירוי מוחי עם שלב של תנודות EEG מתמשך באמצעות מערכת ניתוח נתונים בזמן אמת. זה TMS בזמן אמת-EEG המופעל של קליפת המנוע האנושי, כאשר TMS הוא מסונכרן עם פני השטח EEG שלילי של sensorimotor μ-alpha (8-14 Hz) קצב, הראה ההפרש corticospinal היכולת הדיפרנציאלית ואפקטים הפלסטיות. הניצול של שיטה זו עולה כי מידע בזמן אמת על מצב מוחי מיידי יכול לשמש לאינדוקציה יעילה הפלסטיות. בנוסף, גישה זו מאפשרת באופן אישי גירוי EEG-מסונכרן המוח אשר עשוי להוביל לפיתוח של פרוטוקולים יעילים יותר של גירוי המוח טיפולית.

הניצול של TMS EEG בזמן אמת בקליפת המנוע העיקרי האנושי מגלה הcorticospinal הדיפרנציאליות ואפקטים הפלסטיות. באמצעות הפרוטוקול המתואר לעיל, EEG-TMS בזמן אמת הוחל, סנכרון TMS עם השלב המתמשך של EEG מתמשך sensorimotor μ-הקצב בשלושה תנאים ההדק (שיא חיובי, שיא שלילי, ו אקראי שלב) בסדר אקראי . מונטאן לפלאיאן שימש לחילוץ הקצב sensorimotor μ על ידי התייחסות לאלקטרודות ה-EEG C3 לממוצע של ארבעה אלקטרודות מסביב (FC1, FC5, CP1 וCP5). איור 2a מראה את האות הממוצעת EEG הגירוי ב400 ms לפני הדופק TMS עבור שלושה תנאים מוגדרים מראש. הממוצע שהקלטנו מהשרירים הימניים מתוארים באיור 2b. תוצאות אלה מראים כי הסטה השלילי של הקצב של μ-המקצב מתאים למצב של הרבה יותר בקליפת המוח (מובילה המוני MEP גדול יותר) לעומת הסטה החיובי EEG, עם שינויים נמוכים במשפט הבין של corticospinal המצוין ההשפעות של הרגש, הציג באיור 2 ג.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59711/59711fig1.jpg"> הבין מיכל בן : המוח-המדינה תלוי-EEG-שלב המופעל TMS. EEG הקרקפת נתונים גולמיים נגזר מונטאפאן ערוץ חמישה לפלאיאן ממורכז על אלקטרודה C3 מעל קליפת הsensorimotor השמאלית נרכשה דגימת-ידי-לדוגמה על-ידי מערכת עיבוד אותות דיגיטליים בזמן אמת. (a) 500-ms הזזה חלון של נתוני EEG עובדו על ידי האלגוריתם כל 2 ms. (ב) את האות לאחר הלהקה לעבור סינון והסרה של חפצי הקצה. (ג) האות החזוי קדימה (סימן אדום) המבוסס על מודל חיזוי אוטומטי שמחושב מחלון הנתונים. השלב בזמן אפס ("כרגע") הוערך באמצעות המרה של הילברט, הכוח הספקטרלי הוערך מחלון הנתונים. הגירוי TMS הופעל כאשר השלב מוגדר מראש ותנאי משרעת ספקטרלי. TMS מעל קליפת המנוע העיקרי השמאלי הביא MEPs בשריר יד ימין הקליט עם פני השטח EMG. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59711/59711fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59711/59711fig2.jpg"> הבין 2 הוראות המשך: נתונים מנושא אחד למופת שקיבלו TMS בזמן אמת המופעל EEG על M השמאלי מיכל בן , לכוון את השלב של ה 10 הרץ sensorimotor μ-קצב. 100 גירויים כל אחד מהם הוחל על פי שלושה תנאים ההדק הפאזה (הפסגה חיובית, הפסגה השלילית, והשלב האקראי) בשילוב עם מינימום קבוע 10 Hz הכוח ספקטרלי המצב, בסדר אקראי, עם מרווח בין הניסוי של כ 3 s. מונטאן לפלאיאן שימש לחילוץ הקצב sensorimotor μ על ידי התייחסות לאלקטרודות ה-EEG C3 לממוצע של ארבעה אלקטרודות מסביב (FC1, FC5, CP1 וCP5). (a) אות EEG ממוצע מראש 400 ms לפני הדופק TMS עבור שלושה תנאים. (ב) ממוצע מעקב emg של היכולת המוטורית מעורר (mep) הקליט מימין השריר השריר הימנית הקצר עבור כל תנאי. (ג) שיא לשיא משרעת mep (במיקרו-וולט) של כל משפט לאורך זמן, לכל מצב של גורם מפעיל. שים לב כי ה-MEPs הם הגדולים ביותר במצב שיא שלילי, הקטן ביותר במצב שיא חיובי וביניים בתנאי הפאזה האקראית. (ד) משרעת ה-mep הממוצע בכל תנאי מוצג עם קווי שגיאה הממחישות את השגיאה הסטנדרטית של הממוצע. שים לב שמשתתף בעל אפקט ברור במיוחד נבחר למטרות המחשה ושגודל אפקט זה אינו נציג עבור הממוצע של הקבוצה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59711/59711fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Brain State-dependent Brain Stimulation with Real-time Electroencephalography-Triggered Transcranial Magnetic Stimulation at JoVE.com

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

המוח מעורר גירוי המוח עם אלקטרונצגרפיה בזמן אמת-מופעלות גירוי מגנטי Transcranial

נייר זה מתאר בזמן אמת הtranscranial מגנטית גירוי מגנטי ללמוד לווסת את רשתות המוח האנושי.

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 ...

השיטה משלבת EEG ו- TMS לגירוי מוחי תלוי מצב המוח בזמן אמת. זה מאפשר חבילות TMS להיות מסונכרן עם שלב מסוים של תנודות מוח אנדוגני מתמשך. גירוי מוחי הוא טכניקה לווסת את המוח על ידי סנכרון פולסים TMS בודדים עם מצב מוח מוגדר EEG ספציפי.ההשפעה של הגירוי ניתן לייעל. TMS סטנדרטי כבר משמש לטיפול במחלות נוירולוגיות ופסיכיאטריות כגון שבץ ודיכאון. ל- TMS המסונכרן באמצעות EEG יש פוטנציאל לשפר את תוצאות הטיפול באמצעות פרוטוקולי גירוי מותאמים אישית.אנו משתמשים גם ב- TMS המסונכרן באמצעות EEG כדי לחקור את הנוירופיזיולוגיה הבסיסית של תנודות במוח בבני אדם על ידי השוואת ההשפעות שיש לגירויים זהים אך מיושמים במהלך מצבי מוח שונים. ההשפעות יכולות להיות עדינות ונשטפות בקלות על ידי מקורות אחרים של שונות ניסיונית. מצאנו כי עוצמת גירוי נמוכה פועלת בצורה הטובה ביותר כדי לבחון את ההשפעה של קצב מוטורי חושי על עצבנות עמוד השדרה קליפת המוח.כדי לבצע ניסוי לולאה סגורה פעילות המוח נרשם באמצעות פוטנציאל EEG מפני השטח הקרקפת כי הם דיגיטציה על ידי מגבר EEG. לאחר מכן האות עובר ליחידה הראשית של EEG משם למכשיר בזמן אמת השולט על המגרץ, ובכך סוגר את לולאת האות בין מדידה ותווספת פעילות המוח. המכשיר בזמן אמת מנתח את תנודות EEG ושולח אות הדק לגירוי TMS כאשר מצב ההדק קבוע מראש נפגש כדי להעביר דופק זרם קצר דרך סליל TMS כי הוא ממוקם על הראש.במהלך הניסוי המיקום של סליל על הראש יהיה במעקב עם מכשיר ניווט נוירו. חבר את הפלט בזמן אמת של מערכת EEG לקלט ההתקן בזמן אמת וחבר את הפלט של ההתקן בזמן אמת לקלט ההדק של ממריצה TMS. רשום את משתתף המחקר במערכת, ודא שהפרוטוקול תואם את פריסת מכסה EEG ושערוצים רלוונטיים נשלחים לפלט בזמן אמת.במחשב השולט בהתקן בזמן אמת, טען את התוכנה כדי לשלוט בהתקן בזמן אמת ולהבטיח שערוצי הקלט בזמן אמת יתאימו לתצורה של מערכת EEG. לאחר מכן הפעל את ממריצה TMS והגדר את התצורה להפעלה חיצונית. כדי לפקח על מיקום סליל ולהשיג פילוח TMS מדויק ועקבי בתוך ומתוך הפעלות שונות לטעון את נתוני MRI מבניים בודדים לתוכנה מערכת הניווט לפני תחילת הניסוי עבור כל משתתף.לאחר מכן חבר גשש סליל לסליל הגירוי וכייל את סליל. כאשר המערכת מוכנה, מניחים מכסה EEG בגודל מתאים על ראש משתתף המחקר ולהשתמש סרט מדידה כדי למקם את הכובע כראוי. לדחוף את השיער הצידה, כך הקרקפת גלויה ולהכין את הקרקפת עם יישום ג'ל שוחקים.לאחר מכן להחיל ג'ל מוליך על האלקטרודות ולבדוק כי בלתי חוקי האלקטרודה EEG הם מתחת לחמישה קילוהמים. מכסים את מכסה EEG בניילון נצמד ומתאימים למכסה רשת מעל הניילון הפלסטי כדי לשמור על הכבלים במצב קבוע כדי להפחית את השונות של ממצא EEG. לאחר מכן להחיל סרט דבק כדי להגביר את היציבות של שכבות מרובות קלטת גשש ראש רפלקטיבי לראשו של הנושא כדי להבטיח יציבות לאורך כל הניסוי.חבר את אלקטרודות EMG פני השטח לשרירי היעד ניקה ו abraded ולבדוק חזותית את אותות EEG ו EMG מתמשך עבור אלקטרודות רעות. שמור על כבלי EMG דו קוטביים קרובים זה לזה וקרוב לגוף משתתף המחקר כדי להפחית את איסוף רעשי הקו. לאחר מכן השתמש בכלי המצביע כדי לרשום במשותף את מודל הראש עם ציוני הדרך האנטומיים הרלוונטיים ולאתר במדויק את מיקומי חיישן EEG כדי לאפשר את ההערכה הבאה של המקורות הבודדים של פעילות EEG.כדי לבצע ניסוי TMS מסונכרן EEG בזמן אמת תחילה לקבוע את המיקום המדויק שבו TMS של קליפת המוח המוטורית מעורר את התגובה המוטורית החזקה ביותר של שרירי היד. לאחר מכן סמן נקודה חמה זו ואת מיקום סליל בתוכנת ניווט עצבי. לאחר מכן לתקן את הראש של הנושא עם כרית ואקום ולתקן את הסליל במיקום נקודה חמה עם זרוע מכנית.כדי לקבוע את עוצמת גירוי הסף בהדרגה להתאים את עוצמת הגירוי עד 50% של פולסים TMS לגרום לתגובה מוטורית. כאן העוצמה נקבעה ל-110% מעוצמת הסף. כדי להגדיר את המערכת בזמן אמת לשלב ערוצי EEG מרובים כדי לחלץ תנודות ספציפיות, השתמש במסנן spacial laplacian חמישה ערוצים מרוכז על אלקטרודה C3 כדי לחלץ קצב מוטורי חושי.כדי להפעיל TMS בשיא החיובי או השלילי של תנודות אלה להגדיר את תנאי הגורם המפעיל שלב לשלב אפס או פאזה pi באופן אקראי עבור כל ניסיון לפני התחמשות המכשיר בזמן אמת והגדרת הרצף לחזור על עצמו בלולאה כל שתי שניות. לאחר מכן להפעיל את הניסוי במשך כ 10 דקות כדי לרכוש מספר מספיק של ניסויים כדי להבדיל בין השפעות גירוי ספציפי שלב. במהלך הניסוי תנוחת הסליל תהיה מנוטרת על מערכת הניווט הנוירו-ניווט ואותות EEG ו- EMG ינוטרו במערכת EEG.הנתונים הגולמיים, כמו גם EEG טרום גירוי ותגובת השריר שלאחר הגירוי עבור כל מצב מוצגים גם על מערכת EEG. המכשיר בזמן אמת יבצע סינון מרחבי כדי למקד את אזור המוח של עניין הלהקה לעבור סינון כדי לבודד את התנודות של עניין, הערכת משרעת מיידית שלב באמצעות חיזוי קדמי אוטומטית ואת שינוי הילברט. אות זה מושווה לאחר מכן למצב הגורם המפעיל.אם סף הכוח ותנאי הפאזה עומדים בגירוי מופעל. באמצעות ממוצעי הריצה המקוונים המוצגים, ניתן הערכה של הדיוק של מיקוד הפאזה והשפעת השלב על תגובת השריר במהלך הניסוי. בנתונים אלה אות EEG טרום גירוי ממוצע ב 400 אלפיות השניה לפני הדופק TMS במשך שלושה תנאים מוגדרים מראש ואת פוטנציאל ממוצע עורר מוטורי נרשם שרירי יד ימין מוצגים.יחד תוצאות אלה מראות כי הסטת EEG שלילית של המיקרו-קצב תואמת למצב רגשנות קליפתית גבוהה יותר המובילה משרעת פוטנציאלית מוטורית גדולה יותר לעומת הסטה חיובית EEG עם שונות בין ניסוי נמוכה של השפעות excitability קורטיקוספינל ציין. אנחנו צריכים אות EEG יציב ונקי. המפתח הוא משתתף מחקר מוכן היטב שהוא רגוע, נוח, והוא מסוגל לשבת בשקט.זוהי שיטת הכנס-הפעל קלה לשימוש כדי לחקור אם למדינות קישוריות קליפת המוח בקנה מידה גדול יש השפעות סיבתיות בניסויים מבוססי הפרעה. כשמסתכלים על תנוודה מקומית אחת, זה רק הצעד הראשון. הצלחנו להשתמש בממצאים מטכניקה זו כדי להראות כי TMS חוזר יש שיא שלילי של תוצאות תנודות מוטוריות חושיות מתמשכות ו potentiation לטווח ארוך כמו פלסטיות.TMS הוא הליך בטוח וללא כאבים. תופעות לוואי נדירות מאוד הן התקף אפילפטי אצל אנשים פגיעים ולעיתים יכול להתרחש כאב ראש זמני קל.

Research

JoVE Journal

Behavior

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

Functional Magnetic Resonance Imaging fMRI with Auditory Stimulation in Songbirds

הדמיה תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) עם גירוי שמיעתי בציפורי שיר

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

Simultaneous EEG Monitoring During Transcranial Direct Current Stimulation

ניטור EEG סימולטני במהלך גירוי מקומי ישיר Transcranial

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

מגרה את השפתיים מוטור קורטקס עם גירוי מגנטי Transcranial

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

Transcranial זרם ישר גירוי והדמיית תהודה מגנטית פונקציונלית בו זמנית

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

גירוי מגנטי Transcranial לחקירת קשרים סיבתיים מוח התנהגותי וכמובן זמנם

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

קוגניציה ויסות שימוש Transcranial ישיר נוכחי גירוי של המוח הקטן

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

שילוב הסעות-Box הדרכה עם אלקטרו Cortex הקלטה וגירוי ככלי לחקר תפיסה ולמידה

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

הקוצב וגאלי ככלי כדי לגרום פלסטיות במסלולים רלוונטיים ללמידה הכחדה

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 מונחה חוזר Transcranial Magnetic Stimulation עבור אפזיה

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

Electroencephalography הקלטה במקביל במהלך Transcranial זרם חילופין גירוי (TACs)

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