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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Il programma clinico di scienziati della Facoltà di Medicina dell'Università di Tubinga, è il sostegno di C.. a . L'Unione europea riconosce il sostegno della Fondazione tedesca per la ricerca (concessione di T.O.B. riconosce il sostegno della Fondazione tedesca per la ricerca (sovvenzione BE 6091/2-1). J.O.N. riconosce il sostegno dell'Accademia di Finlandia (decisioni n. 294625 e 306845). Gli autori riconoscono il sostegno dell'Open Access Publishing Fund dell'Università di Tubinga.

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	<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>

Il Ministero federale dell'economia e dell'energia (sovvenzione 03EFJBW169). La C.. segnala un'ulteriore occupazione come dipendente a tempo parziale della fondazione per l'innovazione medica senza scopo di lucro (Stiftung fàr Medizininnovationen, Tubingen, Germania); una filiale di questa fondazione sta producendo il processore in tempo reale utilizzato in questo articolo (Medical Innovations Incubator GmbH, Tubinga, Germania).

TMS attivato da EEG dipendente dallo stato del cervello è un nuovo metodo con prospettive uniche per quanto riguarda l'efficacia e la coerenza degli effetti di stimolazione cerebrale che ne derivano8,9,31. Il vantaggio principale del metodo è che uno stato endogeno endogeno funzionalmente rilevante può essere specificamente mirato per innescare l'impulso TMS, inducendo risposte cerebrali potenzialmente meno variabili e più durature11. In tempo reale, la TMS ripetitiva attivata dall'EEG nella fase negativa del ritmo z-motor sensoriale dell'Uomo M1 (cioè lo stato di aumento dell'eccitabilità corticospinale, Figura 2) ha indotto plasticità simile a LTP significativamente più forte (un aumento a lungo termine dell'eurodeputato l'ampiezza) rispetto al TMS11,20. Oltre alla sua utilità scientifica, l'applicazione di EEG-TMS in tempo reale alle aree corticali, come la corteccia prefrontale dorsolaterale (DLPFC), ha il potenziale per aumentare l'efficacia degli attuali protocolli di stimolazione cerebrale terapeutica.
In questo manoscritto, abbiamo presentato i passaggi metodologici per l'implementazione di EEG-TMS in tempo reale. Requisiti fondamentali per la conduzione di esperimenti con questo metodo sono, in primo luogo, l'uso di un sistema EEG compatibile con TMS con un'opzione di uscita digitale in tempo reale e, in secondo luogo, l'uso dell'elaborazione del segnale in tempo reale con l'implementazione di un rilevamento di fase algoritmo24, che estrae il ritmo cerebrale desiderato (ad es., sensorimotore a ritmo z) dal segnale EEG registrato utilizzando filtri spaziali (ad esempio, filtro Laplaciano c3-centrato) e applica la stimolazione in caso di condizioni preselezionate (cioè fase e potenza di il ritmo cerebrale mirato). Le prestazioni e la precisione dell'algoritmo dipendono fortemente dalla SNR della registrazione EEG20. Pertanto, le fasi di preparazione dell'EEG del protocollo sono cruciali per ottenere un SNR elevato e garantire un'esatta attivazione del TMS, e potrebbe essere necessario prendere in considerazione una preselezione dei partecipanti se l'oscillazione dei rispettivi obiettivi non è sufficientemente osservabile con EEG in ogni individuo. Inoltre, è consigliabile utilizzare bracci di supporto meccanico per le bobine e i cuscini sottovuoto per immobilizzare la testa del partecipante, al fine di ridurre al minimo gli artefatti a causa della pressione variabile della bobina sugli elettrodi.
Per quanto riguarda l'applicazione del metodo EEG-TMS in tempo reale nei paradigmi sperimentali, la selezione del ritmo cerebrale di interesse può variare. Pertanto, le regolazioni del filtraggio sono consigliabili di facilitare l'identificazione dell'attività cerebrale mirata. Recentemente, sono stati proposti diversi metodi di filtraggio spaziale per estrarre in modo ottimale uno stato cerebrale funzionalemente rilevante (ad esempio, nello spazio canale19, con densità di origine corrente13, con filtri spaziali locali11,28 e con filtri personalizzati che utilizzano, ad esempio, la decomposizione spaziale-spettrale29). Tuttavia, finora, non esiste un metodo inequivocabile per estrarre dai segnali EEG di superficie (spazio del sensore) la fase reale di oscillazione del cervello (spazio di origine). Studi futuri che valutano la corrispondenza dei segnali di superficie e spazio di origine sono garantiti per migliorare la precisione degli algoritmi EEG in tempo reale.
Mentre in questo protocollo ci siamo concentrati sul ritmo a s- sensomotoria a 8-14 Hz per dimostrare l'influenza della fase istantanea di questa oscillazione sull'eccitabilità corticospinale, altre oscillazioni (ad esempio, beta, theta o oscillazioni a infrarossi) possono anche svolgere un ruolo. Questo metodo può, in linea di principio, essere utilizzato per indirizzare la fase per qualsiasi oscillazione che può essere isolata con un SNR sufficiente, comprese più oscillazioni sovrapposte (ad esempio, un ciclo negativo di alfa e un picco positivo simultaneo di gamma).
Una delle principali limitazioni degli esperimenti EEG-TMS in tempo reale è che la risoluzione spatiotemporale rispetto alle fonti cerebrali è fortemente dipendente dalla comparsa di artefatto e dalla consistenza della stimolazione. Pertanto, un prerequisito critico del protocollo è il monitoraggio delle prestazioni dell'algoritmo (cioè, assicurando che la stimolazione si verifichi al rilevamento dell'attività neuronale e non artifeffettiva durante l'esperimento). Inoltre, l'utilizzo della neuronavigazione per un posizionamento ottimale e coerente della bobina di stimolazione (specialmente nei paradigmi sperimentali che utilizzano siti di stimolazione come DLPFC) è utile per ridurre la variabilità della risposta dovuta alla variabilità posizione della bobina. Si noti inoltre, come ulteriore limitazione, che sono necessari dispositivi eEG/EMG, TMS e dispositivi di elaborazione in tempo reale specificamente selezionati e configurati, insieme all'esperienza nella preparazione e nello svolgimento degli esperimenti in modo da ridurre al minimo le fonti esterne di risposta variabilità che può mascherare l'effetto di istantanea stato del cervello.
In conclusione, abbiamo dimostrato un protocollo standard per condurre esperimenti EEG-TMS in tempo reale e introdotto un nuovo metodo per utilizzare gli stati endogeni del cervello di interesse (cioè fasi preselezionate e potenza di un'oscillazione endogena cerebrale mirata) per innescare la stimolazione cerebrale. Ulteriori ricerche con il metodo EEG-TMS in tempo reale consentiranno miglioramenti metodologici e faciliteranno lo sviluppo di protocolli efficaci per lo studio e la modulazione delle reti cerebrali umane.

Il TMS è un metodo ben consolidato per la stimolazione cerebrale non invasiva e consente la modulazione specifica delle dinamiche di rete in corso e gli studi delle vie neurali corticocorticali e corticospinali con elevata precisione spatiotemporale1. Quando si stimola la corteccia motoria primaria (M1), la risposta neurale può essere quantificata come potenziali evocati dal motore (MEP), così come potenziali EEG evocati da TMS. Gli eurodeputati possono essere registrati mediante elettromiografia (EMG) dei muscoli bersaglio e la loro ampiezza riflette l'eccitabilità corticospinale quando stimola la corteccia motoria primaria2.
Nonostante il potenziale unico della stimolazione cerebrale non invasiva come strumento scientifico per studiare e modulare le reti cerebrali nei partecipanti a uno studio sano e nei pazienti, gli studi Sulla TMS soffrono di una grande variabilità sperimentale e intra e interindividuale delle risposte evocate3,4,5. In particolare, negli studi TMS sull'eccitabilità e la plasticità corticospinali, le risposte dell'eurodeputato, nonché la plasticità indotta di potenziamento a lungo termine (LTP) o depressione a lungo termine (LTD), presentano un'elevata variabilità intrinseca, anche quando i parametri di stimolo sono attentamente controllati3,4. Tuttavia, le prove provenienti da studi sugli animali indicano che la variabilità osservata delle risposte non è attribuibile al "rumore casuale", ma è invece correlata agli stati fluttuanti del cervello al momento della stimolazione6. Di conseguenza, combinando TMS con EEG in un paradigma di stimolazione dipendente dallo stato cerebrale in tempo reale (cioè TMS attivato da EEG), lo stato del cervello istantaneo fluttuante può essere utilizzato per ottimizzare la temporizzazione degli stimoli7,8, 9 (in vie , 10.
Diversi studi hanno raccontato la fase istantanea delle oscillazioni neurali in corso all'eccitabilità neuronale utilizzando sistemi EEG compatibili con TMS11,12. Gli amplificatori EEG moderni sono in grado di gestire i grandi artefatti TMS elettromagnetici e esistono protocolli sperimentali sempre più consolidati per la combinazione di EEG con TMS13,14 e la rimozione post hoc di EEG correlati a TMS manufatti15,16. Mentre l'influenza dello stato cerebrale prestimulo, come valutato da EEG sulle risposte evocate tramite TMS, può essere valutata con stimoli TMS applicati in modo casuale ordinati dopo l'hoc17,18, l'applicazione ripetitiva di TMS in un cervello predefinito richiede TMS11,19in tempo reale attivato da EEG.
In questo caso, viene utilizzata una configurazione TMS personalizzata attivata da EEG a risoluzione di millisecondi per sincronizzare gli impulsi TMS con una fase predeterminata di oscillazioni cerebrali in corso11, dimostrando che la deflessione EEG negativa del ritmo alfa corrisponde a un livello superiore Stato di eccitabilità corticale (che porta ad ampiezza MEP più grandi) rispetto alla deviazione EEG positiva8,11,12,20. In questo manoscritto, presentiamo un metodo per condurre protocolli TMS attivati da EEG in tempo reale per studiare le reti cerebrali umane.

<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

L'effetto di uno stimolo al cervello dipende non solo dai parametri dello stimolo, ma anche dalla dinamica dell'attività cerebrale al momento della stimolazione. La combinazione di elettroencefalografia (EEG) e stimolazione magnetica transcranica (TMS) in un sistema di stimolazione dipendente dallo stato cerebrale in tempo reale consente di studiare le relazioni della dinamica dell'attività cerebrale, dell'eccitabilità corticale e dell'induzione della plasticità . Qui, dimostriamo un metodo di recente sviluppo per sincronizzare la tempistica della stimolazione cerebrale con la fase delle oscillazioni EEG in corso utilizzando un sistema di analisi dei dati in tempo reale. Questo TMS in tempo reale attivato da EEG della corteccia motoria umana, quando la TMS è sincronizzata con il picco negativo EEG superficiale del ritmo sensoriale-alfa (8-14 Hz), ha mostrato effetti differenziali di eccitabilità e plasticità corticospinali. L'utilizzo di questo metodo suggerisce che le informazioni in tempo reale sullo stato cerebrale istantaneo possono essere utilizzate per l'induzione di plasticità efficace. Inoltre, questo approccio consente una stimolazione cerebrale personalizzata con sincronizzazione EEG che può portare allo sviluppo di protocolli di stimolazione cerebrale terapeutica più efficaci.

L'utilizzo del TMS in tempo reale innescato da EEG nella corteccia motoria primaria umana rivela effetti differenziali di eccitabilità corticospinale e plasticità. Utilizzando il protocollo descritto in precedenza, è stato applicato EEG-TMS in tempo reale, sincronizzando TMS con la fase oscillatoria EEG in corso del ritmo di movimento sensoriale endogeno in tre condizioni di innesco (picco positivo, picco negativo e fase casuale) in ordine casuale . Un montaggio Laplacian EEG è stato utilizzato per estrarre il ritmo z del sensomotore facendo riferimento all'elettrodo EEG C3 alla media di quattro elettrodi circostanti (FC1, FC5, CP1 e CP5). La figura 2a mostra il segnale EEG prestimulo medio nei 400 ms prima dell'impulso TMS per le tre condizioni predefinite. I deputati medi suscitati registrati dai muscoli di destra sono illustrati nella figura 2b. Questi risultati mostrano che la deflessione negativa dell'EEG-ritmo a z corrisponde a uno stato di eccitabilità corticale più elevato (che porta ad ampiezze MEP più grandi) rispetto alla deflessione EEG positiva, con bassa variabilità intertriale del noto corticospinale effetti di eccitabilità, presentato nella Figura 2c.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59711/59711fig1.jpg"> Figura 1 : il nome del : TMS attivato dallo stato cerebrale EEG. I dati grezzi di Scalp EEG derivati da un montaggio Laplaciano a cinque canali centrato sull'elettrodo C3 sulla corteccia motoria sensomotoria sinistra sono stati acquisiti campione per campione da un sistema di elaborazione del segnale digitale in tempo reale. (a) Una finestra scorrevole di 500 ms di dati EEG è stata elaborata dall'algoritmo ogni 2 ms. (b) Il segnale dopo il filtraggio passa-banda e la rimozione degli artefatti bordo. (c) Il segnale previsionale in avanti (traccia rossa) basato su un modello di previsione autoregressivo calcolato dalla finestra dei dati. La fase al momento zero ("in questo momento") è stata stimata usando una trasformazione di Hilbert, la potenza spettrale è stata stimata dalla finestra di dati. Lo stimolatore TMS è stato attivato quando sono state soddisfatte una fase e una condizione di ampiezza spettrale predefinite. La TMS sulla corteccia motoria primaria sinistra ha portato i deputati europei a muscoli a destra registrati con la superficie EMG. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59711/59711fig1large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59711/59711fig2.jpg"> Figura 2: Dati di un soggetto esemplare che ha ricevuto TMS attivato da EEG in tempo reale sulla sinistra M 1 : il nome del , mirando alla fase del 10 Hz sensomotorio ritmo a z. Un centinaio di stimoli ciascuno è stato applicato in base a tre condizioni di attivazione di fase (picco positivo, picco negativo e fase casuale) in combinazione con una condizione di soglia di potenza minima di 10 Hz, in ordine casuale, con un intervallo interprocessare di circa 3 s. Un montaggio Laplacian EEG è stato utilizzato per estrarre il ritmo z del sensomotore facendo riferimento all'elettrodo EEG C3 alla media di quattro elettrodi circostanti (FC1, FC5, CP1 e CP5). (a) Segnale eEG prestimulo medio nei 400 ms prima dell'impulso TMS per le tre condizioni. (b) Traccia EMG media del motore evocato potenziale (MEP) registrata dal muscolo pollici pollicibrevis rapitodestro per ogni condizione. (c) Ampiezza memetico di picco rispetto a i picchi (in microvolt) di ogni prova nel tempo, per condizione di innesco. Si noti che i deputati europei sono più grandi nella condizione di picco negativo, più piccoli nelle condizioni di picco positive e intermedi nella condizione di fase casuale. (d) L'ampiezza medica in ogni condizione è mostrata con barre di errore che illustrano l'errore standard della media. Si noti che un partecipante con un effetto particolarmente chiaro è stato selezionato a scopo illustrativo e che questa dimensione dell'effetto non è rappresentativa della media di gruppo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59711/59711fig2large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>

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

Stimolazione cerebrale dipendente dallo stato del cervello con stimolazione magnetica transcranica in tempo reale

Questo documento descrive la stimolazione magnetica transcranica attivata dall'elettroencefalografia in tempo reale per studiare e modulare le reti cerebrali umane.

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 ...

Il metodo combina EEG e TMS per la stimolazione cerebrale dipendente dallo stato cerebrale in tempo reale. Ciò consente alle particelle TMS di essere sincronizzate con una fase specifica di oscillazioni cerebrali endogene in corso. La stimolazione cerebrale è una tecnica per modulare il cervello sincronizzando i singoli impulsi TMS con uno specifico stato cerebrale definito dall'EEG.L'effetto della stimolazione può essere ottimizzato. Il TMS standard è già usato per trattare malattie neurologiche e psichiatriche come ictus e depressione. Il TMS sincronizzato con EEG ha il potenziale per migliorare i risultati del trattamento utilizzando protocolli di stimolazione personalizzati.Usiamo anche TMS sincronizzato con EEG per indagare la neurofisiologia di base delle oscillazioni cerebrali nell'uomo confrontando gli effetti che gli stimoli hanno che sono identici ma vengono applicati durante diversi stati cerebrali. Gli effetti possono essere sottili e sono facilmente lavati da altre fonti di variabilità sperimentale. Abbiamo scoperto che la bassa intensità di stimolo funziona meglio per osservare l'effetto del ritmo motorio sensoriale sull'eccitabilità spinale corticale.Per condurre un esperimento a circuito chiuso l'attività cerebrale viene registrata attraverso i potenziali EEG dalla superficie del cuoio capelluto che sono digitalizzati da un amplificatore EEG. Il segnale passa quindi all'unità principale EEG e da lì al dispositivo in tempo reale che controlla lo stimolatore, chiudendo così il ciclo del segnale tra la misurazione e la modulazione dell'attività cerebrale. Il dispositivo in tempo reale analizza le oscillazioni EEG e invia un segnale di innesco allo stimolatore TMS quando viene soddisfatta una condizione di trigger predeterminata per passare un breve impulso di corrente attraverso la bobina TMS che viene posizionata sulla testa.Durante l'esperimento la posizione della bobina sulla testa sarà monitorata con un dispositivo di neuro-navigazione. Collegare l'uscita in tempo reale del sistema EEG all'ingresso del dispositivo in tempo reale e collegare l'uscita del dispositivo in tempo reale all'ingresso trigger dello stimolatore TMS. Registrare il partecipante allo studio nel sistema, assicurandosi che il protocollo corrisponda al layout del tappo EEG e che i canali pertinenti siano inviati all'output in tempo reale.Sul computer che controlla il dispositivo in tempo reale caricare il software per controllare il dispositivo in tempo reale e assicurarsi che i canali di ingresso in tempo reale corrispondano alla configurazione del sistema EEG. Quindi accendere lo stimolatore TMS e impostare la configurazione sull'attivazione esterna. Per monitorare la posizione della bobina e ottenere un targeting TMS accurato e coerente all'interno e tra le sessioni caricare i singoli dati strutturali della risonanza magnetica nel software del sistema di navigazione prima di iniziare l'esperimento per ogni partecipante.Quindi attaccare un localizzatore di bobine alla bobina di stimolazione e calibrare la bobina. Quando il sistema è pronto, posizionare un cappuccio EEG di dimensioni appropriato sulla testa del partecipante allo studio e utilizzare il metro per posizionare correttamente il cappuccio. Spingere i capelli da parte in modo che il cuoio capelluto sia visibile e preparare il cuoio capelluto con un'applicazione di gel abrasivo.Applicare quindi il gel conduttivo agli elettrodi e verificare che le impedenze degli elettrodi EEG siano inferiori a cinque kiloohm. Coprire il cappuccio EEG con un involucro di plastica e montare un cappuccio in rete sopra l'involucro di plastica per mantenere i cavi in posizione fissa per ridurre la variabilità dell'artefatto EEG. Quindi applicare il nastro adesivo per aumentare la stabilità dei più strati e rastreppere un inseguitore di teste riflettente sulla testa del soggetto per garantire stabilità durante l'esperimento.Attaccare gli elettrodi EMG di superficie ai muscoli bersaglio puliti e abrasi e ispezionare visivamente i segnali EEG ed EMG in corso alla ricerca di elettrodi cattivi. Tenere i cavi bipolari EMG vicini e vicini al corpo del partecipante allo studio per ridurre il prelievo del rumore di linea. Quindi utilizzare lo strumento puntatore per co-registrare il modello di testa con i punti di riferimento anatomici pertinenti e individuare le posizioni dei sensori EEG per consentire la successiva stima delle singole fonti dell'attività EEG.Per eseguire un esperimento TMS sincronizzato con EEG in tempo reale, determinare prima la posizione esatta in cui il TMS della corteccia motoria evoca la risposta motoria più forte dai muscoli delle mani. Quindi contrassegnare questo hotspot e la posizione della bobina nel software di neuro-navigazione. Quindi fissare la testa del soggetto con un cuscino sottovuoto e fissare la bobina nella posizione dell'hotspot con un braccio meccanico.Per determinare l'intensità di stimolazione della soglia regolare gradualmente l'intensità di stimolazione fino a quando il 50% degli impulsi TMS si traducono in una risposta motoria. Qui l'intensità è stata impostata sul 110% dell'intensità della soglia. Per configurare il sistema in tempo reale per combinare più canali EEG per estrarre un'oscillazione specifica, utilizzare un filtro slavo laplaciano a cinque canali centrato sull'elettrodo C3 per estrarre il ritmo sensoriale del motore.Per attivare il TMS al picco positivo o negativo di questa oscillazione, impostare la condizione di trigger di fase sulla fase zero o sulla fase pi in modo casuale per ogni prova prima di armare il dispositivo in tempo reale e impostare la sequenza da ripetere su un ciclo ogni due secondi. Quindi eseguire l'esperimento per circa 10 minuti per acquisire un numero sufficiente di prove per differenziare gli effetti di stimolazione specifici della fase. Durante l'esperimento la posizione della bobina sarà monitorata sul sistema di neuro-navigazione e i segnali EEG ed EMG saranno monitorati sul sistema EEG.I dati grezzi così come l'EEG pre-stimolo e la risposta muscolare post-stimolo per ogni condizione sono visualizzati anche sul sistema EEG. Il dispositivo in tempo reale eseguirà il filtraggio spaziale per indirizzare la regione cerebrale di interesse e il filtro passa banda per isolare l'oscillazione di interesse, stimando l'ampiezza istantanea e la fase utilizzando la previsione in avanti autoregressiva e la trasformata di Hilbert. Questo segnale viene quindi confrontato con la condizione di innesco.Se la soglia di potenza e le condizioni di fase sono soddisfatte, lo stimolatore viene attivato. Utilizzando le medie di corsa online visualizzate, l'accuratezza del targeting di fase e l'effetto della fase sulla risposta muscolare possono essere stimati durante l'esperimento. In queste cifre viene mostrato un segnale EEG medio pre-stimolo nei 400 millisecondi prima dell'impulso TMS per tre condizioni predefinite e potenziali medi evocati dal motore evocato registrati dai muscoli della mano destra.Nel complesso questi risultati dimostrano che la deflessione EEG negativa del micro-ritmo corrisponde ad uno stato di eccitabilità corticale più elevato che porta ad ampiezze potenziali evocate dal motore più grandi rispetto alla deflessione EEG positiva con una bassa variabilità inter-trial dei noti effetti di eccitabilità corticospinale. Abbiamo bisogno di un segnale EEG stabile e pulito. La chiave è un partecipante allo studio ben preparato che è rilassato, confortevole e in grado di stare fermo.Questo è un metodo plug and play facile da usare per indagare se gli stati di connettività corticale su larga scala hanno effetti causali negli esperimenti basati sulla perturbazione. Guardando un'oscillazione localizzata, questo è solo il primo passo. Siamo stati in grado di utilizzare i risultati di questa tecnica per dimostrare che il TMS ripetitivo ha un picco negativo dei risultati delle oscillazioni sensoriali del motore in corso e un potenziamento a lungo termine come la plasticità.TMS è una procedura sicura e indolore. Un effetto collaterale molto raro è una crisi epilettica nelle persone vulnerabili e occasionalmente può verificarsi un lieve mal di testa temporaneo.

Research

JoVE Journal

Behavior

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

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Risonanza magnetica funzionale (fMRI) con Auditory Stimulation in uccelli canori

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

Ricerca

Comportamento

Simultaneous EEG Monitoring During Transcranial Direct Current Stimulation

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Transcranial Direct Current Stimulation and Simultaneous  Functional Magnetic Resonance Imaging

Transcranica diretta stimolazione corrente e simultanea Magnetic Resonance Imaging funzionale

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

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Stimolazione Magnetica Transcranica per indagare le relazioni causali Brain-comportamentali e la loro Corso di Tempo

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

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