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.は、テュービンゲン大学医学部の臨床科学者プログラムからの支援を認めます。U.Z.は、ドイツ研究財団(助成ZI 542/7-1)からの支援を認めます。T.O.B.は、ドイツ研究財団(助成BE 6091/2-1)からの支援を認めます。J.O.N.は、フィンランドのアカデミー(意思決定第294625号および306845)からの支援を認める。著者らは、テュービンゲン大学のオープンアクセス出版基金による支援を認めている。

<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.とP.C.G.は、ドイツ連邦経済エネルギー省(助成03EFJBW169)による研究助成金の移転を通じて部分的に資金を提供しています。C.Z.は、非営利医療イノベーション財団(スティフトゥン・フュール・メディジンイノベーションエン、テュービンゲン、ドイツ)のパートタイム従業員として追加雇用を報告します。この財団の子会社は、この記事で使用されるリアルタイムプロセッサを生産しています(メディカルイノベーションインキュベーターGmbH、テュービンゲン、ドイツ)。

脳状態依存性脳波誘発TMSは、その後の脳刺激効果8、9、31の有効性および一貫性に関してユニークな視点を持つ新しい方法である。この方法の主な利点は、機能的に関連する内因性脳状態がTMSパルスを引き起こすために特異的に標的とされ得ることであり、潜在的に可変性が低く、より長持ちする脳応答11を誘発する。ヒトM1の感覚運動μリズムの負相におけるリアルタイム脳波誘発反復TMS(すなわち、コルチコスピナル興奮性の増加の状態、図2)は、有意に強いLTP様可塑性(MEPの長期的な増加)を誘発した振幅)と比較して、脳状態に依存しないTMS11、20.その科学的有用性に加えて、リアルタイムのEEG-TMSを、前頭前皮質(DLPFC)のような皮質領域に適用することは、現在の治療的脳刺激プロトコルの有効性を高める可能性を有する。
本原稿では,リアルタイムEEG-TMSの実施に向けた方法論的ステップを紹介した.この方法で実験を行うための基本的な要件は、まず、リアルタイムのデジタルアウトオプションを備えたTMS互換EEGシステムの使用と、第二に、位相検出の実装によるリアルタイム信号処理の使用です。アルゴリズム24は、空間フィルタ(例えば、C3中心のLaplacianフィルター)を使用して記録された脳波信号から所望の脳リズム(例えば、感覚運動μ-リズム)を抽出し、事前に選択された条件(すなわち、位相およびパワー)を適用する。標的となる脳リズム)が満たされます。アルゴリズムの性能および正確さはEEG記録20のSNRに強く依存する。したがって、プロトコルの脳波準備ステップは、高いSNRを達成し、TMSの正確なトリガを確保するために重要であり、それぞれのターゲット振動がEEGで十分に観察できない場合、参加者の事前選択を考慮する必要があります。すべての個人。さらに、コイルと真空枕に機械的サポートアームを使用して参加者の頭部を固定化し、電極上のコイルの圧力の変化によるアーティファクトを最小限に抑えることをお勧めします。
実験パラダイムにおけるリアルタイムEEG-TMS法の適用に関しては、目的の脳リズムの選択が異なる場合がある。したがって、フィルタリングの調整は、標的化された脳活動の同定を容易にすることが推奨される。近年、機能的に関連する脳の状態を最適に抽出するいくつかの空間フィルタリング方法が提案されている(例えば、チャネル空間19では、現在のソース密度13を有し、局所空間フィルタ11、28)など、空間スペクトル分解29を用いて個別化されたフィルタを使用する。しかし、これまでのところ、表面の脳波信号(センサー空間)から実際の脳発振相(ソース空間)から抽出する明確な方法は存在しない。表面信号とソース空間信号の対応を評価する将来の研究は、リアルタイムのEEGアルゴリズムの精度を向上させるために保証されています。
このプロトコルでは、8-14Hzの感覚運動μ-リズムに焦点を当て、この振動の瞬間相がコルチコ脊髄興奮性、その他の振動(例えば、ベータ、シータ、またはインフラスロー振動)に及ぼす影響を実証する。役割を果たすこの方法は、原則として、複数の重ね合わせた振動(例えば、アルファの負のサイクルおよびガンマの同時正のピーク)を含む十分なSNRで単離することができる任意の振動の位相を標的にするために使用することができる。
リアルタイムEEG-TMS実験の主な制限の1つは、脳源に対する時空間分解能が刺激のアーティファクト発生と一貫性に強く依存していることです。したがって、プロトコルの重要な前提条件は、アルゴリズムの性能の監視です(すなわち、実験全体を通して実際の活動ではなく、ニューロンの検出時に刺激が起こることを保証する)。さらに、刺激コイルの最適かつ一貫した位置決め(特にDLPFCなどの刺激部位を用いた実験パラダイム)のためのニューロナビゲーションの利用は、変動性による応答変動の低減に役立つ。コイル位置。また、さらに制限として、EEG/EMG、TMS、およびリアルタイム処理装置を特異的に選択・構成し、外部からの応答源を最小限に抑えるような方法で実験を準備・実施した経験が必要です。瞬間的な脳状態の影響を隠す可能性のある変動性。
結論として、我々は、リアルタイムのEEG-TMS実験を行うための標準的なプロトコルを実証し、目的とする内因性脳状態を利用するための新しい方法を導入した(すなわち、事前に選択された相と標的内因性脳振動の力)。脳刺激を引き起こすリアルタイムのEEG-TMS法を用いてのさらなる研究は、方法論的改善を可能にし、ヒト脳ネットワークの研究と変調のための効果的なプロトコルの開発を容易にする。

TMSは、非侵襲的な脳刺激のための確立された方法であり、進行中のネットワークダイナミクスの特定の変調と高い時空間精度1を持つ皮質および皮質脊髄神経経路の研究を可能にする。一次運動皮質(M1)を刺激する場合、神経応答は、運動誘発電位(MEP)、ならびにTMS誘発EEG電位として定量化することができる。MEPは、標的筋の筋電図(EMG)によって記録することができ、その振幅は、一次運動皮質2を刺激する際の皮質脊髄興奮性を反映する。
健康な研究参加者や患者の脳ネットワークを調査し、調節するための科学的ツールとしての非侵襲的な脳刺激のユニークな可能性にもかかわらず、TMS研究は、大規模な試験的および内および個々の変動に苦しんでいます誘発された応答の3、4、5.具体的には、皮質脊髄興奮性および可塑性のTMS研究において、MEP応答は、誘発された長期増強(LTP)または長期うつ病(LTD)様可塑性と同様に、刺激パラメータであっても、高い固有変動性を示す。慎重に制御されている 3,4.しかし、動物実験の証拠は、観察された応答の変動性が「ランダムノイズ」に起因するものではなく、刺激6の時の変動する脳状態に関連していることを示している。したがって、TMSとEEGをリアルタイムの脳状態依存性刺激パラダイム(すなわち、EEG誘発TMS)に組み合わせることで、変動する瞬間的な脳状態を刺激タイミング7、8、および、9,10.
いくつかの研究は、TMS互換EEGシステム11、12を使用して神経興奮性に進行中の神経振動の瞬間相を関連している。現代のEEGアンプは、大きな電磁TMSアーティファクトを処理することができ、ますます確立された実験プロトコルは、TMS13、14とTMS関連のEEGのポストホック除去の組み合わせのために存在しますアーティファクト15,16.TMS誘発応答に対する脳波によって評価された前刺激脳状態の影響は、ポストホック17、18、定義された脳におけるTMSの繰り返し適用であるランダムに適用されたTMS刺激で評価することができるが、状態には、リアルタイムの EEG トリガ TMS11、19が必要です。
ここでは、カスタムミリ秒分解能EEGトリガTMSセットアップを使用して、進行中の脳振動11の所定の位相とTMSパルスを同期させ、μ-αリズムの負のEEG偏向が高い値に対応することを実証する。正のEEG偏向8、11、12、20と比較して皮質興奮性状態(より大きなMEP振幅につながる)。本原稿では,ヒトの脳ネットワークを研究するために、リアルタイムの脳波誘発TMSプロトコルを行う方法を紹介する.

<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

脳への刺激の効果は、刺激のパラメータだけでなく、刺激時の脳活動のダイナミクスにも依存します。リアルタイムの脳状態依存性刺激システムにおける脳波検査(EEG)と経頭蓋磁気刺激(TMS)の組み合わせは、脳活動のダイナミクス、皮質興奮性、可塑性誘導の関係の研究を可能にする.ここでは、リアルタイムデータ解析システムを用いて、脳刺激のタイミングを進行中の脳波振動相と同期させる新開発の手法を示す。このリアルタイムの脳波誘発TMSは、ヒト運動皮質のTMSが、感覚運動μ-α(8-14Hz)リズムの表面EEG負のピークと同期すると、微分皮質脊髄興奮性および可塑性効果を示している。この方法の利用は、瞬間的な脳の状態に関するリアルタイム情報が有効な可塑性誘導に使用できることを示唆している。さらに、このアプローチは、より効果的な治療的脳刺激プロトコルの開発につながる可能性のあるパーソナライズされた脳同期脳刺激を可能にする。

ヒトの一次運動皮質におけるリアルタイムの脳波誘発TMSの利用は、微分皮質興奮性および可塑性効果を明らかにする。上記のプロトコルを使用して、リアルタイムのEEG-TMSを適用し、ランダム化された順序で3つのトリガ条件(正のピーク、負のピーク、およびランダム相)で内因性感覚運動μリズムの進行中のEEG振動相とTMSを同期させた.ラプラシアンEEGモンタージュは、EEG電極C3を周囲の4つの電極(FC1、FC5、CP1、CP5)の平均値に参照して感覚運動μリズムを抽出するために使用されました。図2aは、3つの定義済み条件に対するTMSパルスの前の400ミリ秒の平均事前刺激EEG信号を示す。右手の筋肉から記録された平均引き出されたMEPは図2bに示されている。これらの結果は、μリズムの負のEEG偏向が、正のEEG偏向と比較して高い皮質興奮性状態(より大きなMEP振幅につながる)に相当し、注目された皮質脊髄の間変動が低いことを示している。興奮性効果は、図2cに示されています。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59711/59711fig1.jpg"> 図1: 脳状態依存性の脳位相トリガ TMS.左感覚運動皮質上のC3電極を中心とした5チャンネルラプラシアンモンタージュから導出された頭皮脳波生データを、リアルタイムのデジタル信号処理システムによりサンプルバイサンプルで取得した。(a) EEGデータの500ミリ秒のスライディングウィンドウは、2ミリ秒毎にアルゴリズムによって処理された(b)バンドパスフィルタリング後の信号とエッジアーティファクトの除去。(c) データのウィンドウから計算された自己回帰予測モデルに基づく前方予測信号(赤トレース)。時間ゼロの位相(「現在」)はヒルバート変換を用いて推定され、スペクトルパワーはデータのウィンドウから推定された。TMS刺激器は、定義済みの位相とスペクトル振幅条件が満たされたときにトリガされました。左の一次運動皮質上のTMSは、表面EMGで記録された右手の筋肉のMEPをもたらした。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59711/59711fig1large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59711/59711fig2.jpg"> 図2:左M上でリアルタイムのEEGトリガTMSを受け取った1つの例示的な被験者からのデータ1のフェーズをターゲットに10 Hz 感覚運動 μ リズム。100個の刺激は、3つの相トリガ条件(正のピーク、負のピーク、ランダム相)に従って、一定の最小10Hzスペクトル電力閾値条件と組み合わせて、無作為化された順序で、インタートライアル間隔で適用された。約 3 s.ラプラシアンEEGモンタージュは、EEG電極C3を周囲の4つの電極(FC1、FC5、CP1、CP5)の平均値に参照して感覚運動μリズムを抽出するために使用されました。(a) 3つの条件に対するTMSパルスの前の400ミリ秒の平均前刺激EEG信号。(b) 各条件に対する右の誘拐者ポリシスブレビス筋から記録された運動誘発電位(MEP)の平均EMGトレース。(c) トリガ条件ごとの各試行のピークからピークへの MEP 振幅(マイクロボルト単位)。MEP は負のピーク条件で最も大きく、正のピーク条件では最も小さく、ランダムフェーズ条件では中間値です。(d) 各条件の平均 MEP 振幅は、平均の標準誤差を示す誤差バーで示されます。特に明確な効果を持つ参加者がイラストレーション用に選択されており、この効果サイズがグループ平均を代表するものではないことに注意してください。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59711/59711fig2large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>

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

リアルタイム脳波による脳血管刺激による脳状態依存性脳刺激-経頭蓋磁気刺激

本論文では、リアルタイムの脳波撮影を誘発する経頭蓋磁気刺激を用いて、ヒトの脳ネットワークを研究し、調節する。

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 ...

この方法は、脳脳とTMSを組み合わせて、リアルタイムの脳状態依存性脳刺激を行う。これにより、TMS パーセルを、進行中の内因性脳振動の特定のフェーズと同期させることができます。脳刺激は、脳の特定の脳の状態を定義した特定のTMSパルスを同期させることによって脳を調節するための技術です。刺激の効果は最大限に活用することができる。標準TMSは、脳卒中やうつ病などの神経疾患や精神疾患の治療に既に使用されています。EEG同期TMSは、個別の刺激プロトコルを使用して治療結果を改善する可能性を秘めています。また、脳科学同期TMSを用いて、刺激が同一であるが、異なる脳状態に適用される効果を比較することによって、ヒトの脳振動の基本的な神経生理学を調べる。効果は微妙であり、実験的な変動の他のソースによって簡単に洗い流されます。低刺激強度は、感覚運動リズムが皮質脊髄興奮性に及ぼす影響を観察するのに最も適していることがわかりました。閉ループ実験を行うために脳活動は、脳脳増幅器によってデジタル化された頭皮表面からの脳電位を介して記録される。その後、信号は脳脳の本体に渡され、そこから刺激器を制御するリアルタイムデバイスに渡され、それによって脳活動の測定と調節の間の信号ループを閉じる。リアルタイムデバイスは、EEG振動を分析し、所定のトリガ条件が満たされたときにトリガ信号をTMS刺激装置に送信し、頭部に配置されたTMSコイルを通して短い電流パルスを通過させます。実験中に頭部のコイルの位置は、神経ナビゲーション装置で監視される。EEGシステムのリアルタイム出力をリアルタイムデバイス入力に接続し、リアルタイムデバイスの出力をTMS刺激装置のトリガ入力に接続します。研究参加者をシステムに登録し、プロトコルが EEG 上限のレイアウトと一致すること、および関連するチャネルがリアルタイム出力に送信されることを確認します。リアルタイムデバイスを制御するコンピュータ上でリアルタイムデバイスを制御し、リアルタイム入力チャンネルがEEGシステムの構成と一致することを確認するためにソフトウェアをロードします。次に、TMS刺激装置をオンにして、外部トリガに設定します。コイルの位置を監視し、セッション内およびセッション間で正確かつ一貫したTMSターゲティングを達成するために、各参加者の実験を開始する前に、個々の構造MRIデータをナビゲーションシステムソフトウェアにロードします。次に、刺激コイルにコイルトラッカーを取り付け、コイルをキャリブレーションします。システムの準備ができたら、研究参加者の頭の上に適切なサイズのEEGキャップを置き、測定テープを使用してキャップを正しく配置します。頭皮が見えるように髪を脇に押し、研磨剤のゲル塗布で頭皮を準備します。次に、電極に導電性ゲルを塗布し、EEG電極インピーダンスが5キロオーム以下であることを確認します。EEGキャップをラップで覆い、プラスチックラップの上にメッシュキャップをフィットさせ、ケーブルを固定された位置に保ち、EEGアーティファクトの変動を減らします。次に粘着テープを塗布して複数の層の安定性を高め、反射ヘッドトラッカーを被験者の頭にテープで貼り付け、実験全体の安定性を確保します。表面EMG電極を洗浄およびすりガラス化されたターゲット筋肉に取り付け、進行中のEEGおよびEMG信号の不良電極を視覚的に検査します。バイポーラ EMG ケーブルを近くに置き、研究参加者の体に近づけて、ラインノイズのピックアップを減らします。次に、ポインタツールを使用して、頭部モデルを関連する解剖学的ランドマークと共に登録し、EEGセンサーの位置を特定して、EEG活動の個々のソースの後続の推定を可能にします。リアルタイムの脳体同期TMS実験を行うためには、まず、運動皮質のTMSが手の筋肉からの最も強い運動応答を呼び起こす正確な位置を決定する。次に、このホットスポットとコイルの位置をニューロナビゲーションソフトウェアでマークします。次に、被検者の頭部を真空枕で固定し、機械式アームでホットスポットの位置にコイルを固定します。閾値刺激強度を決定するために、TMSパルスの50%が運動応答をもたらすまで刺激強度を徐々に調整する。ここで強度は、しきい値強度の110%に設定されています。複数のEEGチャンネルを組み合わせて特定の振動を抽出するようにリアルタイムシステムを構成するには、電極C3を中心とした5チャンネルラプラシアン容量フィルタを使用して感覚運動リズムを抽出します。この振動の正または負のピークでTMSをトリガするには、リアルタイムデバイスを武装し、2秒ごとにループで繰り返されるシーケンスを設定する前に、フェーズトリガ条件を各試行に対してランダムにフェーズゼロまたはフェーズパイに設定します。その後、約10分間実験を実行し、十分な数の試験を取得して、位相特異的刺激効果を区別します。実験中に、コイル位置をニューロナビゲーションシステムで監視し、脳脳システムで脳脳とEMGの信号を監視します。また、各条件の生データや刺激前のEEGと刺激後の筋肉応答も、EEGシステムに表示されます。リアルタイムデバイスは、関心のある脳領域をターゲットとする空間フィルタリングと、関心のある振動を分離するバンドパスフィルタリングを実行し、自己回帰的前方予測とヒルベルト変換を使用して瞬間振幅と位相を推定します。この信号は、トリガー条件と比較されます。電力しきい値と位相条件が満たされると、刺激装置がトリガーされます。表示されたオンライン走行平均を使用して、位相ターゲティングの精度と、筋肉応答に対する位相の影響を実験中に推定することができます。これらの図では、3つの事前定義された条件および右手の筋肉から記録された平均誘起された運動誘発電位に対するTMSパルスの前の400ミリ秒における平均事前刺激EEG信号が示されている。これらの結果をまとめて、マイクロリズムの負の脳波偏向は、指摘されたコルチコ脊髄興奮性効果の低い試験間変動性を有する陽性脳波偏差と比較して、より大きな運動誘発電位振幅につながる高い皮質興奮状態に対応することを示している。安定したクリーンなEEG信号が必要です。鍵は、リラックスして快適で、じっと座ることができる、十分に準備された研究参加者です。これは、大規模な皮質接続状態が摂動ベースの実験で因果関係を持っているかどうかを調べるのに簡単にプラグアンドプレイ法を使用します。1つの局所振動を見ると、それは最初のステップに過ぎません。この技術の知見を用いて、繰り返しTMSが進行中の感覚運動振動結果の負のピークと可塑性のような長期的な増強を有することを示すことができた。TMSは安全で痛みのない手順です。非常にまれな副作用は、脆弱な人のてんかん発作であり、時には軽度の一時的な頭痛が発生する可能性があります。

Research

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Behavior

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