Method Article
Слуховые обработки является основой речи и музыки, связанные с обработкой. Транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) успешно используется для изучения когнитивных, чувствительных и двигательных систем, но редко применяется на прослушивание. Здесь мы исследовали TMS в сочетании с функциональной магнитно-резонансную томографию, чтобы понять функциональная организация слуховой коры.
Auditory cortex pertains to the processing of sound, which is at the basis of speech or music-related processing1. However, despite considerable recent progress, the functional properties and lateralization of the human auditory cortex are far from being fully understood. Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) is a non-invasive technique that can transiently or lastingly modulate cortical excitability via the application of localized magnetic field pulses, and represents a unique method of exploring plasticity and connectivity. It has only recently begun to be applied to understand auditory cortical function 2.
An important issue in using TMS is that the physiological consequences of the stimulation are difficult to establish. Although many TMS studies make the implicit assumption that the area targeted by the coil is the area affected, this need not be the case, particularly for complex cognitive functions which depend on interactions across many brain regions 3. One solution to this problem is to combine TMS with functional Magnetic resonance imaging (fMRI). The idea here is that fMRI will provide an index of changes in brain activity associated with TMS. Thus, fMRI would give an independent means of assessing which areas are affected by TMS and how they are modulated 4. In addition, fMRI allows the assessment of functional connectivity, which represents a measure of the temporal coupling between distant regions. It can thus be useful not only to measure the net activity modulation induced by TMS in given locations, but also the degree to which the network properties are affected by TMS, via any observed changes in functional connectivity.
Different approaches exist to combine TMS and functional imaging according to the temporal order of the methods. Functional MRI can be applied before, during, after, or both before and after TMS. Recently, some studies interleaved TMS and fMRI in order to provide online mapping of the functional changes induced by TMS 5-7. However, this online combination has many technical problems, including the static artifacts resulting from the presence of the TMS coil in the scanner room, or the effects of TMS pulses on the process of MR image formation. But more importantly, the loud acoustic noise induced by TMS (increased compared with standard use because of the resonance of the scanner bore) and the increased TMS coil vibrations (caused by the strong mechanical forces due to the static magnetic field of the MR scanner) constitute a crucial problem when studying auditory processing.
This is one reason why fMRI was carried out before and after TMS in the present study. Similar approaches have been used to target the motor cortex 8,9, premotor cortex 10, primary somatosensory cortex 11,12 and language-related areas 13, but so far no combined TMS-fMRI study has investigated the auditory cortex. The purpose of this article is to provide details concerning the protocol and considerations necessary to successfully combine these two neuroscientific tools to investigate auditory processing.
Previously we showed that repetitive TMS (rTMS) at high and low frequencies (resp. 10 Hz and 1 Hz) applied over the auditory cortex modulated response time (RT) in a melody discrimination task 2. We also showed that RT modulation was correlated with functional connectivity in the auditory network assessed using fMRI: the higher the functional connectivity between left and right auditory cortices during task performance, the higher the facilitatory effect (i.e. decreased RT) observed with rTMS. However those findings were mainly correlational, as fMRI was performed before rTMS. Here, fMRI was carried out before and immediately after TMS to provide direct measures of the functional organization of the auditory cortex, and more specifically of the plastic reorganization of the auditory neural network occurring after the neural intervention provided by TMS.
Combined fMRI and TMS applied over the auditory cortex should enable a better understanding of brain mechanisms of auditory processing, providing physiological information about functional effects of TMS. This knowledge could be useful for many cognitive neuroscience applications, as well as for optimizing therapeutic applications of TMS, particularly in auditory-related disorders.
Протокол разделен на двухдневную сессию (не обязательно подряд). В первый день состоит из МРТ локализатор составлен с анатомической и функциональной МРТ сканирование, чтобы определить для каждого участника областей, которые будут направлены с TMS. Второй день состоит в том, МРТ сессии пред-и пост-TMS TMS, где применяется внутри сканера с помощью специального MR совместимы катушки TMS (Magstim ООО, Уэльс, Великобритания) и безрамные системы стереотаксической (Brainsight). Последний используется для позиций в режиме реального времени TMS катушки на участках коры по отношению к анатомическим и функциональным данные каждого участника.
1. Локализатор сессии
2. Пре-и пост-TMS МРТ эксперимента
Предварительно TMS МРТ сессии
Безрамное стереотаксис и TMS в МРТ окружающей среды
Безрамные системы стереотаксис состоит из инфракрасной камеры (Polaris Spectra), некоторые инструменты и трекеры (Brainsight), используемые для процедуры регистрации и компьютером. Компьютер находится вне сканера комнату, но расположены на входе в помещение сканера и сканера дверь остается открыт во время применения TMS. Инструменты и трекеры MR совместимы, а также штатив (самодельные) с поддержкой инфракрасной камеры и йerefore, используемые внутри сканера комнате. Инфракрасная камера не MR-совместимые, и, следовательно, находится внутри сканера комнаты, возле двери сканер примерно в двух метрах от сканера кровать (см. обсуждение в целях безопасности процедуры). Система TMS стимулятор находится в комнате, смежной с МРТ номер сканера. Мы используем МРТ совместимый TMS катушка расположена внутри сканера комнаты и подключены к системе TMS с помощью 7-м кабелем через ВЧ-фильтр трубки.
Пост-TMS МРТ сессии
3. Представитель Результаты
Анализ данных МРТ проводится отдельно для пред-и пост-TMS МРТ сессии. Для каждого МРТ сессии (т.е. до и после TMS), контраст между мелодиями и задачи слухового контроля показывает, связанных с задачами деятельности в левой и правой извилин Heschl, в верхней височной извилины, нижней лобной извилины и precenспектрального извилин (рис. 1, Б). Для оценки различий между пре-и пост-TMS сессии МРТ, мы выполняем случайную-следственный анализ использования студенческих парный Т-тест. Значение определяется с помощью кластеров, определенных AZ> 2 порога и исправлены кластера порог р = 0,05. Рисунок 1 представляет C отличие пост-минус предварительного CTBS для одного участника. Полученные данные свидетельствуют, что CTBS ориентированные на право извилины Heschl (в черный круг) вызывает увеличение фМРТ ответ в контралатеральной (слева) слуховой коры, в том числе извилины левого Heschl в. Изменения в фМРТ ответ также находятся в левой постцентральной извилины, оставил изоляции, а в боковой затылочной коры на двусторонней основе. Тем не менее, никаких существенных изменений в МРТ ответа видно под катушкой. Кроме того, аналогичные комбинированные TMS-МРТ протокол повторяется, чтобы стимулировать вершины (управление сайтом). Сравнение пред-и пост-МРТ сессий с CTBS наносится на вершину не показали significaNT эффект (данные не представлены).
Рисунок 1. Анализ индивидуальных пред-TMS данным МРТ (A), пост-TMS МРТ данных (B) и пост-минус предварительные данные МРТ TMS (C). А. Результаты дискриминации отличие мелодия минус испытания слухового контроля для одного участника предварительной TMS МРТ сессии (А) и в пост-TMS МРТ сессии (B). Слева направо: осевые, корональной и сагиттальной вид. В обоих (А) и (Б), катушки TMS ориентирована на право извилины Heschl (в черный круг), расположенный в точке х = 54, у = -13, Z = 1 (MNI152 стандартного пространства). Для обоих пред-и пост-TMS МРТ сессий, на экране появятся координаты х = -54, у = -13, Z = 1 (MNI152 стандартное пространство), чтобы показать изменения в левом полушарии на месте раздражения (т. е. извилины правого Heschl автора ). С. Результаты отличие пост-минус предварительного TMS МРТ сессий с использованием Студенческая парный Т-тест.
Мы описываем протокол объединения форума TMS и МРТ для исследования функциональной организации слуховой коры. В следующих разделах мы будем обсуждать методологические факторы необходимо учитывать при проведении такого подхода.
Приобретение и сроки пост-TMS сессии фМРТ
Орден сканирования приобретение и уравновешивающих пред-и пост-TMS сессий фМРТ
Очень важно, чтобы приобрести сканирования МР-анатомическое до и после TMS для того, чтобы получить надежную регистрацию между двумя функциональными сканирования. В противном случае, функциональные различия получены может быть связано делать несовмещения вопросов между двумя функциональными сканирования, а не TMS-индуцированные изменения в МРТ сигнала. Кроме того, перед МРТ-TMS сессии (еще до того, МРТ сессии локализатор), важно оценить стабильность и повторяемость результатов МРТ сигнала, чтобы обеспечить количественное сравнение МРТответ величин. На самом деле это может быть хорошей идеей, чтобы запустить некоторые экспериментальные исследования, повторяя сканирование после удаления и повторного предмета (без TMS), чтобы проверить, в какой степени можно ожидать различий за счет этого фактора в одиночку. Между-сессии сравнения могут быть затронуты неспецифической TMS факторов, таких как привыкание к МРТ контексте эксперимента, в том числе МРТ окружающей среды, а также выполнение задачи 21. Чтобы преодолеть эту проблему можно было бы уравновесить порядка пред-и пост-TMS МРТ сессий по участникам. Например, можно начать с TMS, а затем провести пост-TMS МРТ сессии, а затем ждать несколько часов (или дней), а также выполнять предварительные TMS МРТ сессии. Такая конструкция зависит от ожидаемой продолжительности TMS эффекты и практические соображения, такие, как наличие субъекта и сканер MR. Другой подход заключается в использовании мнимого или плацебо раздражений, однако их использование все еще обсуждается, поскольку они не могутобеспечить такой же акустической и соматосенсорной ощущений (например, подергивания мышц) как реальное стимулирование и фиктивных TMS было показано, что подобные эффекты как реальное стимулирование 22-24. Еще один подход заключается в применении TMS в нескольких областях и оценить различия в разных местах, это сравнение предполагает, что неспецифические эффекты TMS эквивалентные в разных местах 24. Например, вершина может быть использован для контроля акустических и соматосенсорной артефакты, которые сопровождают TMS как мы показали здесь.
Сроки приобретения сканирования
Поскольку последствия МТР являются временными, важно, чтобы предмет обратно в сканер как можно скорее после окончания TMS. По этой причине мы использовали МРТ-совместимый TMS катушки и применяется TMS, когда участник лежал на планшет сканера. Но если это оборудование не доступно, это также можно применять TMS за пределами помещение сканера 13. Однако для этого требуется больше времени, как участник должен покинуть помещение сканера, и никто не может исключать вторичных эффектов, вызванных движением и взаимодействием с экспериментаторами. Держите платформы, поднятые в ходе TMS и обеспечить стимулы загружены до TMS завершена. Минимум два исследователя должна присутствовать, ответственным за сессию TMS, другой отвечает за МРТ сессии. Во время перехода от TMS к пост-МРТ сессии, важно, чтобы убедиться, что участники понимают, что они должны взаимодействовать с экспериментаторами как можно меньше. Продолжительность TMS после МРТ сканирование имеет решающее значение и должны быть запланированы относительную продолжительность МТР-индуцированных эффектов. Это может быть также интересно провести несколько пост-TMS МРТ сессии на регулярной основе после окончания МТР для того, чтобы отобразить МТР-индуцированные эффекты с течением времени 12.
Определение TMS сайтов и глубиной вынужденном ионы
Сочетание TMS и МРТ может быть направлена против какой-либо области коры в префронтальной, лобной, височной и теменной коры. Основным ограничением является то, что целевой области должны быть доступны для катушки TMS, когда участник лежа на планшет сканера, поэтому задняя / затылочной области, не могут быть недоступны. Участник может также сесть на планшет сканера во время TMS, но в этом случае, использование нейронавигации, особенно инфракрасная камера будет ограничивать доступ к затылочной области TMS.
Еще одно ограничение применения TMS, когда участник лежа на планшет сканера является отсутствие гибкости катушки позиций и ориентаций. По этой причине в нашем исследовании, катушки TMS была помещена катушка с ручкой, указывая назад параллельно средней линии. В предыдущем исследовании мы показали никаких существенных различий катушки ориентации при стимуляции слуховой коре 2.
ontent "> Другой общей ограничивающим фактором в TMS исследований является глубина вынужденного области. Было показано, что TMS может не достичь областей глубже 3 см глубиной 6,17. Таким образом, в нашем исследовании, маловероятно, что МТР индуцированные изменения в медиальной части HG, на месте первичной слуховой коры, и, наоборот, HG доходит до бокового края верхней височной извилины, и эта область, которая, как полагают, играют определенную роль в кромешной обработки 25,26 весьма вероятно, мишенью TMS. Это соображение, конечно, относится ко всем TMS исследований. Тем не менее, учитывая неопределенность в том, что эффект TMS достигла желаемой цели, МРТ может помочь объективно определить, если это так или нет.Технические аспекты протокола CTBS в среду MR
Мы использовали CTBS протокола (50 Гц), которая была до сих пор всегда используется за пределами комнаты сканер MR, MR, следовательно, не совместимого оборудования20,27-29. Это первое исследование, которое применяется CTBS внутри MR MR среды с использованием совместимого оборудования TMS. Для реализации такого протокола, важно знать, что это настройка эффективно снижает интенсивность TMS выход примерно на 20% в связи с увеличением сопротивления расширенный MR-совместимых кабели, идущие от стимулятора к катушке 30. Кроме того, этот выход ограничение может быть более важным для некоторых стран (например, 115В питания в Канаде по сравнению с 230 энергоснабжения в Европе). Поэтому, если вы используете Magstim оборудования, возможно, потребуется приобрести дополнительный модуль (Rapid-2 Plus One Module) для того, чтобы увеличить мощность вашей системы. Еще одно ограничение комбинированных TMS и МРТ предполагает использование бескаркасных стереотаксис в комнате MR, а инфракрасная камера должна быть расположена на безопасном расстоянии от отверстия в сканере МРТ, и поэтому должны быть в состоянии обеспечить большой объем измерений (> два мров). Именно поэтому мы выбрали Polaris спектры (NDI Polaris, http://www.ndigital.com/medical/polarisfamily.php ) предоставление поле зрения до трех метров. Есть также MR-совместимых инфракрасные камеры, которые могут быть использованы (например, MRC Systems GmbH, Германия).
Важно отметить, что протокол CTBS не может быть применен онлайн во время непрерывной МРТ приобретения. Как мы тестировали ранее 31 и также Bestmann и соавт. 32, тихая периодом 90 мс необходимо после каждого импульса TMS, чтобы избежать артефактов на изображениях MR из-за токов утечки через TMS-катушки во время пополнения счета стимулятора. Непрерывная TBS состоит из трех поездов импульсы доставляются на частоте 50 Гц (20 мс между импульсами), разделенных на 200 мс, поэтому вряд ли вписывается в МРТ приобретения. Кроме того, CTBS обычно применяется только в течение 40-х годов (600 импульсов), белыйич не позволяет много повторений последовательности EPI. Непрерывная TBS протокол также очень шумно, которые должны привести к сильным нейронной активности в слуховой области, и поэтому не могут быть пригодны для исследования слуховой обработки. Однако, другие формы TBS, таких как прерывистое или промежуточных TBS может быть применен с соответствующим долго TR 20.
Безопасность в сочетании CTBS и МРТ
Безопасность CTBS
Непрерывная TBS имеет теоретический потенциал присвоении более высокий риск захвата, чем другие повторяющиеся протоколы TMS, поскольку она обеспечивает высокочастотные всплески (50 Гц) и поэтому его следует использовать с осторожностью 33. Врач или медсестра, которая имеет опыт работы с МТР и является специалистом в управлении изъятия должны быть в пределах досягаемости из лаборатории МТР всякий раз, когда участник изучается. Один случай захвата использованием CTBS сообщили в здоровом человекебез каких-либо факторов риска развития эпилепсии 34, где они использовались большей интенсивностью (т.е. 100% порог покоя двигателя), чем в оригинале протокола 20 (т.е. 80% активного порога двигателя). Процедура следовать в случае захвата описаны в руководящих принципов обеспечения безопасности 35,36.
MR совместимых инструментов
Когда TMS применяется внутри помещения сканер MR, очень важно, чтобы все инструменты, используемые внутри сканера MR быть совместимы. Здесь, мульти-сочлененной рукой (на заказ) для крепления катушки TMS был г-н совместимый (сделанные с Acetal и поликарбонат), и укладывается в спецификации MR кровати. Мульти-сочлененной рукой особенно полезно в течение длительных периодов возбуждения и обеспечивает гибкое позиционирование катушки, и дает возможность вращения в нескольких направлениях. Трекеры (Brainsight), используемые для позиционирования и слежения, MR совместимы. Инфракрасной камеры (Polaris) находится внутри комнаты сканер MR, нонаходиться на безопасном расстоянии от сканера MR (по крайней мере, в двух метрах от сканера кровати). Здесь нет защитных ИК-камера необходима, так как на таком расстоянии, магнитное поле составляет 0,3 мТл (3 Гаусса) (личное общение с инженером из Siemens, 37,38), что меньше, чем холодильник магнит (50 Гаусс). Что касается системы TMS стимулятор, мы использовали портативные устройства, которые созданы в наблюдении люкс рядом с сканером.
Параметры стимуляции
В первом исследовании CTBS у людей было по Хуанг и др. 20. Которые применяются всплески 3 импульсов частотой 50 Гц, 5 Гц повторяется в течение первичной моторной коры, на 80% активного порога двигателя. Здесь, потому что мы использовали CTBS целевой извилины Heschl, мы рассудили, что с помощью активного порога двигателя в качестве эталона измерения не может быть хорошим показателем возбудимости этой области мозга. Кроме того, мы использовали CTBS внутри среды MR, и эта установка эффectively снижает выход интенсивности примерно на 20% (см. предыдущий раздел). В качестве эталона, изучение Bestmann и др. 39., Используя подобную установку (т.е. Magstim системы с MR совместимы катушки TMS) сообщается о средней интенсивности стимуляции на 42%, выход стимулятора максимум 12 участников соответствующего до 70% отдельных активных Двигатель порог. Здесь мы использовали 41% стимулятор выход, который, следовательно, сопоставимы с предыдущими исследованиями CTBS и вписывается в правила техники безопасности для использования CTBS см. Оберман и др. 40. Для рассмотрения.
Также следует отметить, что несколько физических механизмов взаимодействия между биологическими тканями и статического магнитного поля теоретически может привести к изменению физиологических и биохимических процессов 37. Тем не менее, некоторые исследования были опубликованы сообщает, что эти эффекты ниже порога значения 38,41,42. Кроме того, в нашем исследовании TMS вас проводиться в автономном режиме, когда участник лежал на кровати, сканер и за ее пределами отверстие сканера MR. В этом случае основные магнитные среда состоит из статического магнитного поля B0, которая уменьшается с расстоянием от магнит, на расстоянии участника, напряженность магнитного поля составляет около 3 млн. т (= 3 гс, или примерно в десять раз сила магнитного поля Земли) 37,43.
Заключение
Комбинированный МТР и МРТ методы обеспечивают количественный способ оценки TMS-индуцированных изменений в поведении и основной деятельности мозга. TMS себе позволяет анализировать поведение во времени, но есть растущее понимание в литературе, что интерпретация результатов это не так просто, как первоначально думали, 4,44,45. Основной причиной является то, что TMS вызывает изменения в нейронной активности в стимулированных области, но и в отдаленных районах от вынужденного сайте, и изменения в поведении окNnot предоставить информацию относительно основных изменений в функциональной активности и связи.
Поэтому в нашем исследовании, МРТ проводилось до и после TMS. Мы показали, что непрерывное взрыв тета стимуляция наносится на право извилины Heschl в индуцированного увеличения МРТ ответ в гомологичной области в противоположном полушарии. Этот вывод согласуется с предыдущими исследованиями на визуальном языке или обработки показывающие роль гомологичной области в противоположном полушарии после TMS-индуцированных помех 10,13,46,47. Ли такие межполушарной взаимодействия компенсационных сохранить функцию, или в результате краткосрочных пластичности не очень хорошо понял и необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять природу таких механизмов.
Комбинированный TMS и офф-лайн МРТ открывает новые перспективы для исследования функциональных моделей активации и подключения в слуховой нейронных сетей и также особенно полезны тØ оценка возможной реорганизации или корковой пластичности. Кроме того, эта комбинация может быть использована для оценки и анализа долгосрочного клинического наблюдения в аудиологического, неврологическими или психиатрическими расстройствами.
Нет конфликта интересов объявлены.
CIBC общения (JA) и NSERC гранта (RZ). Мы благодарны Роха М. Комо (Brainsight) за помощь в отношении инфракрасная камера, МР-совместимых трекеры и другие аппаратной поддержки. Мы также благодарны Брайан Хайнс (Hybex Инновации Inc), которые разработали мульти-сочлененной рукой держатель для катушки и предоставил некоторые цифры отображаются на видео. И особую благодарность всем MR техники и М. Феррейра из мозга Макконнелл изображений центра Монреальского неврологического института, который помог нам оптимизации дизайна эксперимента.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Название материала | Тип | Компания | |
Транскраниальной магнитной стимуляции | Magstim супер Rapid2 стимулятор, Rapid-2 плюс один модуль | Magstim ООО, Уэльс, Великобритания | |
Катушка для магнитной стимуляции | МРТ-совместимый 70 мм фигуры из восьми катушки | Magstim ООО, Уэльс, Великобритания | |
Магнитно-резонансная томография | 3-T Siemens Trio сканер, 32-канальный Глава Coil | Siemens, Inc, Германия | |
Безрамное Стереотаксия | Brainsight | Rogue Research, Монреаль, Канада | |
Оптическая система измерения | Polaris Spectra | Северная цифровой Inc, Онтарио, Канада | |
Multi-сочлененной рукой держатель для катушки | Стандарт | Hybex Innovatионы Inc, Анжу, Канада | |
МРТ-совместимых наушников Insert | Sensimetrics, модель S14 | Sensimetrics Corporation, Массачусетс, США |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены