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

К.З. признает поддержку со стороны клинической научной программы медицинского факультета Тюбингенского университета. U.З. признает поддержку со стороны Немецкого исследовательского фонда (грант No 542/7-1). T.O.B. признает поддержку со стороны Немецкого исследовательского фонда (грант BE 6091/2-1). J.O.N. признает поддержку Со стороны Академии Финляндии (решения No 294625 и 306845). Авторы признают поддержку Издательского фонда Открытого доступа Тюбингенского университета.

<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>

К.З. и П.К.Г. частично финансируются за счет гранта EXIST Transfer of Research, предоставляемого Федеральным министерством экономики и энергетики Германии (грант 03EFJBW169). К.З. сообщает о дополнительной занятости в качестве неполного работника некоммерческого фонда медицинских инноваций (Stiftung f'r Medizininnovationen, Тюбинген, Германия); дочерняя компания этого фонда производит процессор в реальном времени, используемый в этой статье (Medical Innovations Incubator GmbH, Тюбинген, Германия).

Мозг-государство-зависимых ЭЭГ-триггер TMS является новым методом с уникальными перспективами в отношении эффективности и последовательности последующих эффектов стимуляции мозга8,9,31. Основным преимуществом метода является то, что функционально релевантное эндогенное состояние мозга может быть специально направлено на запуск импульса TMS, вызывая потенциально менее переменные и более длительные реакции мозга11. ЭЭГ-срабатывает в режиме реального времени повторяющиеся TMS в отрицательной фазе сенсорного ритма человека M1 (т.е. состояние повышенной возбудимости кортикоспинальной, Рисунок2) индуцированных значительно сильнее LTP-как пластичность (долгосрочное увеличение MEP амплитуды) по сравнению с мозгом-государство-независимых TMS11,20. В дополнение к своей научной полезности, применение В режиме реального времени ЭЭГ-ТМС в корковых областях, таких как дорсолатеральная префронтальная кора (DLPFC), имеет потенциал для повышения эффективности текущих терапевтических протоколов стимуляции мозга.
В этой рукописи мы представили методологические шаги по внедрению ЭЭГ-ТМС в режиме реального времени. Основными требованиями к проведению экспериментов с помощью этого метода являются, во-первых, использование совместимой с ТМС системы ЭЭГ с возможностью цифрового излразвития в реальном времени и, во-вторых, использование обработки сигналов в режиме реального времени с внедрением фазового обнаружения алгоритм24, который извлекает желаемый ритм мозга (например, сенсоримоторный й-ритм) из записанного сигнала ЭЭГ с помощью пространственных фильтров (например, C3-центре Laplacian фильтр) и применяет стимуляцию при предварительновыбранных условиях (т.е. фазы и мощности целевой ритм мозга) выполнены. Производительность и точность алгоритма сильно зависят от SNR записи ЭЭГ20. Таким образом, шаги подготовки к ЕГЭ протокола имеют решающее значение для достижения высокой SNR и обеспечения точного запуска ТМС, и предварительный отбор участников, возможно, потребуется рассмотреть, если соответствующие целевые колебания недостаточно заметны с ЭЭГ в каждого человека. Кроме того, рекомендуется использовать механические вспомогательные руки для катушек и вакуумных подушек для обездвиживания головы участника, чтобы свести к минимуму артефакты из-за различного давления катушки на электродах.
Что касается применения в режиме реального времени метода ЭЭГ-ТМС в экспериментальных парадигмах, то выбор интересуемого ритма мозга может варьироваться. Таким образом, корректировки фильтрации рекомендуется для облегчения идентификации целевой активности мозга. Недавно было предложено несколько методов пространственной фильтрации для оптимального извлечения функционально соответствующего состояния мозга (например, в пространстве канала19, с текущей плотностью источника13, с локальными пространственными фильтрами11,28 , и с индивидуальными фильтрами, используя, например, пространственно-спектрального разложения29). Тем не менее, до сих пор не существует однозначного метода для извлечения из поверхностных сигналов ЭЭГ (сенсорного пространства) реальной фазы колебаний мозга (исходное пространство). Будущие исследования, которые оценивают соответствие поверхностных и исходных космических сигналов, необходимы для повышения точности алгоритмов ЭЭГ в реальном времени.
В то время как в этом протоколе мы сосредоточились на 8-14-Гц сенсорного ритма, чтобы продемонстрировать влияние мгновенной фазы этого колебания на возбудимость кортикоспинальной, другие колебания (например, бета, тета, или инфреспиковые колебания) также могут играют определенную роль. Этот метод, в принципе, может быть использован для целевой фазы для любых колебаний, которые могут быть изолированы с достаточным SNR, в том числе несколько наложенных колебаний (например, отрицательный цикл альфа и одновременно положительный пик гаммы).
Одним из основных ограничений экспериментов ЭЭГ-ТМС в реальном времени является то, что пространственно-временное разрешение по отношению к источникам мозга сильно зависит от возникновения артефакта и последовательности стимуляции. Поэтому важнейшим условием протокола является мониторинг производительности алгоритма (т.е. обеспечение того, чтобы стимуляция возникала при обнаружении нейрональной, а не артефактной активности на протяжении всего эксперимента). Кроме того, использование нейронавигации для оптимального и последовательного позиционирования катушки стимуляции (особенно в экспериментальных парадигмах с использованием сайтов стимуляции, таких как DLPFC) полезно для снижения изменчивости реакции из-за изменчивости в положение катушки. Обратите внимание также, в качестве дополнительного ограничения, что специально отобранных и настроенных ЭЭГ / ЭМГ, TMS, и в режиме реального времени обработки устройств, а также опыт в подготовке и проведении экспериментов таким образом, чтобы свести к минимуму внешние источники реагирования вариативность, которая может маскировать эффект мгновенного состояния мозга.
В заключение мы продемонстрировали стандартный протокол для проведения экспериментов ЭЭГ-ТМС в режиме реального времени и внедрили новый метод использования эндогенных состояний мозга, представляющих интерес (т.е. заранее выбранных фаз и мощности целевых эндогенных колебаний мозга) чтобы вызвать стимуляцию мозга. Дальнейшие исследования с использованием метода ЭЭГ-ТМС в режиме реального времени позволят улучшить методологические усовершенствования и способствовать разработке эффективных протоколов для изучения и модуляции сетей мозга человека.

TMS является устоявшимся методом неинвазивной стимуляции мозга и позволяет специфическую модуляцию текущей динамики сети иисследования кортикокортикальных и кортикоспинальных нервных путей с высокой пространственно-временной точностью 1. При стимулировании первичной моторной коры (M1), нейронная реакция может быть количественно, как двигатель вызвал потенциалы (MEPs), а также TMS-вызванные ЭЭГ потенциалов. MePs может быть записано электромиографии (ЕМГ) целевых мышц, и их амплитуда отражает возбудимость кортикоспинальной при стимулировании первичной моторной коры2.
Несмотря на уникальный потенциал неинвазивной стимуляции мозга как научного инструмента для исследования и модулировать мозговые сети у здоровых участников исследования и у пациентов, исследования TMS страдают от большой пробной и внутри- и интериндивидуальной изменчивости из вызванных ответов3,4,5. В частности, в TMS исследования кортикоспинальной возбудимости и пластичности, MEP ответы, а также индуцированной долгосрочной потенции (LTP) - или долгосрочной депрессии (LTD) - как пластичность, обладают высокой внутренней изменчивостью, даже если стимул параметров тщательно контролируются3,4. Тем не менее, данные исследований на животных показывают, что наблюдаемая изменчивость ответов не связана с "случайным шумом", а связана с колеблющимися состояниями мозга во время стимуляции6. Соответственно, путем объединения TMS с ЭЭГ в режиме реального времени мозга-государство-зависимой парадигмы стимуляции (т.е., ЭЭГ-срабатывает TMS), колебания мгновенного состояния мозга могут быть использованы для оптимизации стимула сроки7,8, 9 До 9 , 10.
Несколько исследований связаны мгновенной фазы текущих нервных колебаний к возбудимости нейронов с помощью TMS-совместимых ЭЭГ систем11,12. Современные усилители ЭЭГ могут обрабатывать большие электромагнитные артефакты TMS, и все более устоявшиеся экспериментальные протоколы существуют для сочетания ЭЭГ с TMS13,14 и пост-часового удаления EMS, связанного с ТМС артефакты15,16. В то время как влияние состояния мозга prestimulus, оцениваемое ЭЭГ на TMS-вызванные ответы, можно оценить с помощью случайно прикладных стимулов TMS, которые сортируются после hoc17,18, повторяющееся применение TMS в предопределенном мозге состояние требует в режиме реального времени ЭЭГ-триггер TMS11,19.
Здесь, пользовательские миллисекундного разрешения ЭЭГ-срабатывает TMS установка используется для синхронизации Импульсов TMS с предопределенной фазы текущих колебаний мозга11, демонстрируя, что отрицательное отклонение ЭЭГ ритма соответствует выше состояние возбудимости коры (ведущее к большим амплитудам МЭП) по сравнению с положительным отклонением ЭЭГ8,11,12,20. В этой рукописи мы представляем метод проведения в режиме реального времени протоколов TMS, вызванных ЭЭГ-тмс для изучения сетей мозга человека.

<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

Влияние стимула для мозга зависит не только от параметров стимула, но и от динамики активности мозга во время стимуляции. Сочетание электроэнцефалографии (ЭЭГ) и транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) в системе стимуляции состояния мозга в режиме реального времени позволяет изучать взаимосвязи динамики активности мозга, возбудимости коры и пластичности . Здесь мы демонстрируем недавно разработанный метод синхронизации времени стимуляции мозга с фазой текущих колебаний ЭЭГ с использованием системы анализа данных в режиме реального времени. Этот В режиме реального времени ЭЭГ-срабатывает TMS человеческой моторной коры, когда TMS синхронизируется с поверхностью ЭЭГ отрицательный пик сенсорного й-альфа (8-14 Гц) ритм, показал дифференциальные кортикоспинальной возбудимости и пластичности эффекты. Использование этого метода позволяет предположить, что в режиме реального времени информация о мгновенном состоянии мозга может быть использована для индукции эффективной пластичности. Кроме того, этот подход позволяет персонализированную ЭЭГ-синхронизированную стимуляцию мозга, что может привести к разработке более эффективных терапевтических протоколов стимуляции мозга.

Использование в режиме реального времени ЭЭГ-срабатывает TMS в первичной моторной коре человека показывает дифференциальной кортикальной возбудимости и пластичности эффектов. Используя описанный выше протокол, в режиме реального времени применялся ЭЭГ-ТМС, синхронизирующий ТМС с текущей эЭГ-колеблющейся фазой эндогенного сенсорного ритма в трех триггерных условиях (положительный пик, отрицательный пик и случайная фаза) в рандомизированном порядке . Лаплацианский эЭГ-монтаж использовался для извлечения сенсомоторного ритма, ссылаясь на эЭГ-электрод C3 в среднем на четыре окружающих электрода (FC1, FC5, CP1 и CP5). На рисунке 2а показан средний сигнал ЭЭГ предварительного стимулирования в 400 мс до импульса TMS для трех предопределенных условий. Средний elicited MEPs записаны из правой руки мышцы изображены на рисунке 2b. Эти результаты показывают, что отрицательное отклонение ЭЭГ в ритме соответствия более высокому короденному возбудимости (приводящему к большим амплитудам МЭП) по сравнению с положительным отклонением ЭЭГ с низкой изменчивостью интертримового уклонищателя возбудимость эффектов, представленных на рисунке 2c.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59711/59711fig1.jpg"> Рисунок 1 : Мозг-государство-зависимых ЭЭГ-фазы триггера TMS. Scalp ЭЭГ необработанные данные, полученные из пяти каналов Laplacian монтаж анаос и электрод C3 над левой сенсорной коры была приобретена образец за образцом в режиме реального времени цифровой системы обработки сигналов. (a) 500-мс раздвижное окно данных ЭЭГобрабатывалось алгоритмом каждые 2 мс. (б) Сигнал после фильтрации полосы и удаления артефактов края. (c) Вперед-предсказанный сигнал (красный след) на основе модели саморегрессивного прогнозирования, которая была рассчитана из окна данных. Фаза в нулевом времени ("прямо сейчас") была оценена с помощью преобразования Гильберта, спектральная мощность оценивалась из окна данных. Стимулятор TMS был срабатыван, когда была достигнута предопределенная фаза и состояние спектральной амплитуды. TMS над левой первичной моторной коры привело к MEPs в правой мышцы, записанные с поверхности ЭМГ. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59711/59711fig1large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59711/59711fig2.jpg"> Рисунок 2: Данные одного образцового субъекта, который получил В режиме реального времени EEG-срабатывает TMS над левой M 1 , таргетинг на фазу 10 Гц сенсорного й ритма. Сто стимулов каждый были применены в соответствии с тремя фазовыми условиями триггера (положительный пик, отрицательный пик и случайная фаза) в сочетании с постоянным минимальным состоянием порога спектральной мощности 10 Гц, в рандомизированном порядке, с межпотридным интервалом примерно 3 с. Лаплацианский эЭГ-монтаж использовался для извлечения сенсомоторного ритма, ссылаясь на эЭГ-электрод C3 в среднем на четыре окружающих электрода (FC1, FC5, CP1 и CP5). (a) Средний сигнал ЭЭГ prestimulus в 400 ms перед ИМС импульсом для 3 условий. (б) Средний eMG след двигателя вызвал потенциал (MEP) записанные с правого похитителя pollicis Brevis мышцы для каждого состояния. (c) Пик-к-пик увлажнению MEP (в микровольтах) каждого испытания с течением времени, в состоянии триггера. Обратите внимание, что евродепутаты являются крупнейшими в отрицательном пиковом состоянии, наименьшими в положительном пиковом состоянии и промежуточными в состоянии случайной фазы. (d) Средняя амплитуда MEP в каждом состоянии показана с барами ошибок, иллюстрирующие стандартную ошибку среднего. Обратите внимание, что участник с особенно четким эффектом был выбран для целей иллюстрации и что этот размер эффекта не является репрезентативным для среднего показателя группы. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59711/59711fig2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</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

Мозг государство-зависимых стимуляции мозга с электроэнцефалографии в режиме реального времени-Triggered Транскраниальной магнитной стимуляции

В этой статье описывается электроэнцефалография в режиме реального времени, вызванная транскраниальной магнитной стимуляцией для изучения и модулировать сети мозга человека.

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 ...

Метод сочетает в себе ЭЭГ и TMS для реального времени мозга состояние зависимой стимуляции мозга. Это позволяет синхронизировать участки TMS с определенной фазой текущих эндогенных колебаний мозга. Стимуляция мозга является методом для модуляции мозга путем синхронизации отдельных импульсов TMS с конкретным ЭЭГ определяется состояние мозга.Эффект стимуляции может быть оптимизирован. Стандартный TMS уже используется для лечения неврологических и психических заболеваний, таких как инсульт и депрессия. Синхронный ЭЭГ TMS имеет потенциал для улучшения результатов лечения с помощью персонализированных протоколов стимуляции.Мы также используем ЭЭГ-синхронизированные TMS для исследования основных нейрофизиологии колебаний мозга в человеке, сравнивая эффекты, которые стимулы, которые идентичны, но применяются в различных состояниях мозга. Эффекты могут быть тонкими и легко вымываются другими источниками экспериментальной изменчивости. Мы обнаружили, что низкая интенсивность стимула лучше всего подходит для наблюдения за влиянием сенсорного двигательного ритма на возбудимость коркового позвоночника.Для проведения замкнутого цикла эксперимент мозговой активности регистрируется через ЭЭГ потенциалы с поверхности кожи головы, которые оцифрованы усилителем ЭЭГ. Затем сигнал переходит к основному блоку ЭЭГ, а оттуда к устройству в режиме реального времени, которое контролирует стимулятор, тем самым закрывая сигнальную петлю между измерением и модуляцией активности мозга. Устройство в реальном времени анализирует колебания ЭЭГ и посылает триггерный сигнал стимулятору TMS, когда заданное условие триггера выполнено, чтобы пройти короткий текущий импульс через катушку TMS, которая помещается на голову.В ходе эксперимента положение катушки на голове будет контролироваться с помощью нейронавигационного устройства. Подключите выход системы ЭЭГ в режиме реального времени к вводу устройства в режиме реального времени и подключите выход устройства в режиме реального времени к триггеру ввода стимулятора TMS. Зарегистрируйте участника исследования в системе, убедившись, что протокол соответствует компоновке крышки ЭЭГ и что соответствующие каналы отправляются на выход в режиме реального времени.На компьютере, управляющем устройством в режиме реального времени, загружается программное обеспечение для управления устройством в режиме реального времени и обеспечения того, чтобы каналы ввода в режиме реального времени соответствовали конфигурации системы ЭЭГ. Затем включите стимулятор TMS и установите конфигурацию для внешнего срабатывания. Для мониторинга положения катушки и достижения точной и последовательной таргетинга TMS в течение и через сеансы загружайте отдельные структурные данные МРТ в программное обеспечение навигационной системы до начала эксперимента для каждого участника.Затем прикрепите катушки трекер к катушке стимуляции и калибровать катушки. Когда система будет готова, поместите крышку ЭЭГ соответствующего размера на голову участника исследования и используйте измерительную ленту, чтобы правильно распоставить крышку. Нажмите волосы в сторону, так что кожа головы видна и подготовить кожу головы с абразивным гелем применения.Затем нанесите проводящий гель на электроды и убедитесь, что электрод ЭЭГ недейтов ниже пяти килохм. Обложка ЭЭГ крышка с полиэтиленовой пленкой и подходят сетки крышка над полиэтиленовой пленкой, чтобы сохранить кабели в фиксированном положении, чтобы уменьшить изменчивость артефакт эЭГ. Затем нанесите клейую ленту, чтобы повысить стабильность нескольких слоев и ленты отражающей головой трекер к голове субъекта для обеспечения стабильности на протяжении всего эксперимента.Прикрепите поверхностные электроды ЭМГ к очищенным и абрадированным мышцам-мишеням и визуально осмотрите текущие сигналы ЭЭГ и ЭМГ на плохие электроды. Держите биполярные кабели ЭМГ близко друг к другу и близко к телу участника исследования, чтобы уменьшить шум линии пикап. Затем используйте инструмент указателя для совместной регистрации головной модели с соответствующими анатомическими ориентирами и определения местоположения датчика ЭЭГ для последующей оценки отдельных источников активности ЭЭГ.Для выполнения в режиме реального времени ЭЭГ-синхронизированный эксперимент TMS сначала определить точное место, где TMS моторной коры вызывает сильнейшей двигательной реакции от мышц рук. Затем отметь эту точку доступа и положение катушки в программном обеспечении нейро-навигации. Затем зафиксировать головную часть предмета с помощью вакуумной подушки и исправить катушки в точке доступа с механической рукой.Для определения пороговой интенсивности стимуляции постепенно регулируйте интенсивность стимуляции до тех пор, пока 50% импульсов TMS не приведут к двигательной реакции. Здесь интенсивность была установлена до 110% от пороговой интенсивности. Чтобы настроить систему реального времени для объединения нескольких каналов ЭЭГ для извлечения определенного колебания, используйте пятиканальный лацлаковый спайс-фильтр, центрированный на электроде C3, чтобы извлечь сенсорный двигательный ритм.Чтобы вызвать TMS либо на положительном или отрицательном пике этого колебания установить состояние триггера фазы фазы нуля или фазы pi случайным образом для каждого испытания, прежде чем вооружить устройство в режиме реального времени и установить последовательность, которая будет повторяться на цикле каждые две секунды. Затем запустите эксперимент в течение примерно 10 минут, чтобы приобрести достаточное количество испытаний, чтобы дифференцировать фазы конкретных эффектов стимуляции. В ходе эксперимента положение катушки будет контролироваться на нейронавигационной системе, а сигналы ЭЭГ и ЭМГ будут контролироваться в системе ЭЭГ.Необработанные данные, а также предварительного стимула ЭЭГ и пост-стимул мышечной реакции для каждого состояния также отображаются на ЭЭГ системы. Устройство в режиме реального времени будет выполнять пространственную фильтрацию для целевой области мозга, представляющих интерес, и фильтрации полосы, чтобы изолировать колебания интереса, оценивая мгновенную амплитуду и фазу с помощью ауторегрессивного предсказания вперед и преобразования Гильберта. Этот сигнал затем сравнивается с условием триггера.При утехе порога мощности и фазовых условий срабатывает стимулятор. Используя отображаемые онлайн-средние показатели бега, точность фазового таргетинга и влияние фазы на реакцию мышц можно оценить в ходе эксперимента. В этих цифрах показан средний сигнал ЭЭГ до стимула в 400 миллисекундах до импульса TMS в течение трех предопределенных условий и средних вызванных двигательными потенциалами, записанными из мышц правой руки.Взятые вместе эти результаты показывают, что отрицательное отклонение ЭЭГ микро-ритма соответствует более высокому корковому возбудимости, что приводит к более крупным амплитуляциям двигателя по сравнению с положительным отклонением ЭЭГ с низкой межпроцесной изменчивостью отмеченных эффектов кортикоспинальной возбудимости. Нам нужен стабильный и чистый сигнал ЭЭГ. Ключевым является хорошо подготовленный участник исследования, который расслаблен, удобен и способен сидеть на месте.Это простой в использовании плагин и метод воспроизведения, чтобы исследовать, имеют ли крупномасштабные состояния корковых подключений причинные эффекты в экспериментах на основе возмущения. Если посмотреть на одно локализованное колебание, то это только первый шаг. Мы смогли использовать результаты этого метода, чтобы показать, что повторяющиеся TMS имеют отрицательный пик текущих сенсорных колебаний двигателя и долгосрочного потенции, как пластичность.TMS является безопасной и безболезненой процедурой. Очень редким побочным эффектом является эпилептический припадок у уязвимых лиц, а иногда и легкая временная головная боль может произойти.

Research

JoVE Journal

Behavior

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

Functional Magnetic Resonance Imaging fMRI with Auditory Stimulation in Songbirds

Функциональная магнитно-резонансной томографии (МРТ) с звуковой стимуляции в Певчие птицы

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

Одновременный мониторинг ЭЭГ при транскраниальной стимуляции постоянным током

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

Стимулирование Lip моторной коры с транскраниальной магнитной стимуляции

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

Транскраниальная постоянного тока Стимулирование и синхронный Функциональная магнитно-резонансная томография

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

Транскраниальной магнитной стимуляции для исследования причинно-следственная Мозг-поведенческие отношения и их курс Time

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

Плавное Познание Использование транскраниальной Текущее стимуляции мозжечка

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

В сочетании Трансфер-Box Обучение с электрофизиологических Cortex записи и стимуляции как инструмент для изучения восприятия и обучения

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

Стимуляция блуждающего нерва как инструмент, чтобы побудить пластичность Подготовка актуальным для вымирания обучения

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

Нейронавигация наведением Повторные транскраниальной магнитной стимуляции для Aphasia

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

Одновременно Электроэнцефалография Запись Во транскраниальной стимуляции переменный ток (ПВР)

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