Kartierung der Nachwirkungen der Theta Burst Stimulation auf das menschliche Gehör Cortex mit Functional Imaging

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, funktionelle Bildgebung des Gehirns mit transkranieller Magnetstimulation zu kombinieren, um den auditorischen Kortex zu untersuchen. Dies wird erreicht, indem zunächst eine funktionelle Mr.Localizer-Aufnahme durchgeführt wird, um das Netzwerk zu identifizieren, das mit einer auditorischen Aufgabe assoziiert ist. Zweitens wird der Stimulationsort basierend auf den Daten der funktionellen Mr.Localizer-Aufnahme definiert.

Führen Sie anschließend eine funktionelle MR-Aufnahme durch, um die Aktivität der Hörbahn vor der Stimulation zu messen. Verwenden Sie dann NEURONAVIGATION-Tools, um die Position der TMS-Spule in Bezug auf die individuelle Anatomie und Funktion des Probanden zu bestimmen. Dies erfolgt, während der Proband auf der Scannerliege liegt.

Um es zu vermeiden, den Teilnehmer mehrfach in den Scannerraum hinein und hinaus zu bewegen, besteht der letzte Schritt darin, den Teilnehmer so schnell wie möglich wieder in die Scanneröffnung zu schieben und die FMRI-Aufnahme zu starten. Letztendlich kann mittels FMRI die durch TMS hervorgerufenen Effekte abgebildet werden. Die Daten zeigten, dass es nach der TMS zu einer funktionellen Neuorganisation im auditorischen Netzwerk kommt.

TMS ist ein einzigartiges Werkzeug, um kausale Beziehungen zwischen spezifischen Hirnarealen und kognitiven Funktionen zu untersuchen. Ihre Interpretation ist jedoch begrenzt aufgrund fehlender Informationen über Ort und Art der durch TMS hervorgerufenen Veränderungen in der Hirnaktivität. Aus diesem Grund entschieden wir uns, TMS mit funktioneller Bildgebung zu kombinieren, um die durch TMS induzierten funktionellen Veränderungen zu bestimmen.

Der Unterschied zwischen unserer Studie und früheren Studien besteht darin, dass wir TMS im Scannerraum durchführen, sowohl beim standardmäßigen Offline-TMS als auch bei der FMI. Der Teilnehmer muss den MRT-Raum verlassen, in einen anderen Raum gehen, um die TMS zu erhalten, und dann so schnell wie möglich zurückkehren. Für die zweite FMRI-Sitzung kann dieses Hin- und Hergehen zusätzliche Variabilität bei den durch TMS hervorgerufenen Gehirnveränderungen verursachen.

Die Kopfposition bleibt relativ stabil, was zu einer höheren Genauigkeit führen kann, wenn wir prä- und postoperative FMRT-Daten vergleichen. Außerdem werden die TMS und die verwendeten Effekte schneller abgebildet. Dieses Protokoll ist in eine zweitägige Sitzung unterteilt.

Der erste Tag besteht aus einer fMRT-LOCALIZER-Sitzung mit einer anatomischen und einer funktionellen Aufnahme, um die Zielareale für die TMS zu definieren. Der zweite Tag umfasst fMRT-Sitzungen, sowohl vor als auch nach der TMS am ersten Tag, wobei der Proband die Melodiediskriminationsaufgabe außerhalb des Scanners übt. Bei dieser Aufgabe gibt der Proband an, ob zwei aufeinanderfolgende Fünfnoten-Melodien gleich oder unterschiedlich sind.

Eine auditorische Kontrollaufgabe ohne Diskrimination ist ebenfalls enthalten, bei der der Proband fünf gleich lange Töne mit derselben Tonhöhe (C5) hört und nach dem zweiten Ton einen Knopf drückt. Beginnen Sie anschließend die MRT-Untersuchung mit der Aufnahme eines hochauflösenden MRT-anatomischen Bildes. Danach werden funktionelle Bilder mithilfe einer Gradientenecho-EPI-Pulssequenz und eines sparsamen Abtastparadigmas erfasst, um jegliche BOLD-Effekte oder auditorische Maskierung durch das MRT-Scannen zu minimieren.

Lärm nach Abschluss des Scannens. Definieren Sie die Stimulationsstelle des Probanden unter Verwendung sowohl anatomischer als auch funktioneller Landmarken. Beachten Sie, dass die TMS bezüglich der Tiefe der Stimulationsstelle begrenzt ist, da die elektrische Feldstärke mit der Tiefe abnimmt, und dass Gebiete tiefer als drei Zentimeter nicht erreicht werden können.

Es ist entscheidend, trotz anatomischer und funktioneller Unterschiede zwischen Individuen bei jedem Teilnehmer ähnliche Landmarken zu verwenden. Verwenden Sie daher anatomische Landmarken, um das Heschl-Gyrus zu lokalisieren, wie es durch die Harvard-Oxford-Strukturatlas-Masken definiert ist. Die Maske ist hier grün dargestellt; anschließend wurde das TMS-Ziel definiert, indem das Aktivitätsmaximum innerhalb des Heschl-Gyrus ermittelt wurde, das hier durch den blauen Punkt angezeigt ist.

Suchen Sie außerdem den Scheitelpunkt als Stimulationsort, um unspezifische Effekte der TMS wie akustische und somatosensorische Artefakte kontrollieren zu können. Dieser ist anatomisch definiert als ein Punkt in der Mitte zwischen Inion und Nasenrücken sowie gleich weit entfernt von den rechten und linken Inzisurae interalae. Beachten Sie, dass die Reihenfolge der Stimulationsorte über die Probanden hinweg balanciert werden sollte.

Am Tag des TMS-Experiments. Richten Sie die gesamte Ausrüstung ein. Beginnen Sie mit dem rahmenlosen stereotaktischen Navigationssystem.

Das Computersystem muss außerhalb des Scanner-Raums neben der Tür positioniert werden, die während der TMS-Anwendung geöffnet sein wird. Die Registrierungswerkzeuge und Tracker des Systems sind MR-kompatibel, ebenso wie ein mehrgelenkiger Arm. Die hier verwendete Infrarotkamera ist nicht MR-kompatibel und muss daher im Scanner-Raum in der Nähe der Scanner-Tür zwei Meter vom Scanner-Bett entfernt platziert werden.

Das TMS-Stimulationsgerät sollte in einem Raum platziert werden, der an den MRT-Untersuchungsraum angrenzt. Eine MRT-kompatible TMS-Spule wird im Untersuchungsraum verwendet und über ein sieben Meter langes Kabel durch eine HF-Filterröhre mit dem TMS-System verbunden. Die anatomischen und funktionellen Bilder des Teilnehmers sowie die Stimulationsziele werden in die stereotaktische Software importiert. In diesem Fall werden wir vor Beginn der Aufnahme den rechten Heschl'schen Gyrus des Teilnehmers ansteuern.

Lassen Sie die Versuchsperson einen MR-Screeing-Fragebogen ausfüllen und entfernen Sie alle metallischen Gegenstände. Starten Sie anschließend die MR-Aufnahme mit anatomischen und funktionellen Scans, die identisch mit denen der Lokalisierungssitzung sind. Danach fahren Sie die Scannerliege aus und lassen Sie die Körperplattform während der gesamten TMS-Sitzung erhöht.

Entfernen Sie die obere Mr.Head-Spule und befestigen Sie das Kopfband und das Trackerset am Kopf des Probanden. Bringen Sie den Mehrfachgelenkarm am Scannerbett an. Befestigen Sie dann die MR-kompatible TMS-Spule am Arm. Überprüfen Sie, ob sich alle Tracker und die Spule im Sichtfeld der Kamera hier befinden.

Die Kamera befindet sich leicht auf der rechten Seite des Probanden, um eine einfachere Verfolgung der Spulendisplazierung zu ermöglichen. Bei der Zielregion auf der rechten Hemisphäre kalibrieren Sie den Kopf des Probanden mit den Stereotaxie-Werkzeugen und ko-registrieren Sie die Nasenspitze, das nas und den Tragus beider Ohren mit denselben anatomischen Markierungen in den anatomischen Daten. Dafür sind zwei Experimentatoren erforderlich.

Schritt eins: Positionieren Sie sich am Kopfende des Probanden und am Computer, um die Registrierung am Computer durchzuführen. Danach platzieren Sie die MR-kompatible TMS-Spule tangential zur Kopfhaut, wobei die Spulensensoren in Richtung der Infrarotkamera zeigen. Die Spule sollte so ausgerichtet sein, dass der Griff nach hinten weist und parallel zur Mittellinie verläuft.

Befestigen Sie die Spulenposition mithilfe der Schrauben am Mehrfachgelenkarm. Schalten Sie nun das TMS-System ein und beginnen Sie die Stimulation. Die TMS sollte gemäß einem strukturierten Protokoll angewendet werden, beispielsweise einer kontinuierlichen Theta-Burst-Stimulation, die aus drei Impulsen bei 50 Hz besteht, die bei 5 Hz für 40 Sekunden wiederholt werden.

Es wurde gezeigt, dass dieses Protokoll die kortikale Plastizität bis zu 30 Minuten nach Beendigung der Stimulation in gesunden Populationen modulieren kann. Sobald die Stimulation abgeschlossen ist, ist es wichtig, den Probanden so schnell wie möglich wieder in den Scanner zu bringen. Entfernen Sie die gesamte TMS-Ausrüstung und schieben Sie den Kopf des Teilnehmers in die Mr.Head-Spule.

Stellen Sie sicher, dass Ihre Scansequenzen vorbereitet und einsatzbereit sind, wobei die Anzahl und Dauer der Lokalisierungs-Scans auf ein Minimum reduziert sind. Da die Effekte der RTMS vorübergehend sind, sollte die abschließende Scan-Sitzung mit dem funktionellen Scan beginnen. Führen Sie erneut fMRT während des 12-minütigen Ablaufs der Melodieaufgabe durch.

Nachdem der funktionelle Scan abgeschlossen ist, führen Sie einen anatomischen Scan nach dem Experiment durch. Analysieren Sie die FMRI-Daten getrennt für die Sitzungen vor und nach der TMS-fMRT für jede FMRI-Sitzung. Kontrast zwischen den Melodien und der auditorischen Kontrollaufgabe.

Danach, um Unterschiede zwischen den Sitzungen vor und nach der T-M-S-F-M-R-I zu bewerten, eine Random-Effects-Analyse mit einem gepaarten Student-t-Test durchführen. Hier sehen wir die Ergebnisse des Kontrasts Melodie-Diskrimination minus auditorische Kontrollbedingungen für einen einzelnen Teilnehmer in der Sitzung vor der T-M-S-F-M-R-I und in der Sitzung nach der T-M-S-F-M-R-I. Für beide Sitzungen, vor und nach der T-M-S-F-M-R-I, sind die Koordinaten im MNI 1 52 Standardraum dargestellt, um Veränderungen in der linken Hemisphäre kontralateral zur Stimulationsstelle einschließlich des Heschl-Gyrus zu zeigen. Hier können wir die Ergebnisse des Kontrasts nach minus vor der T-M-S-F-M-R-I-Sitzungen mithilfe eines gepaarten Student-t-Tests sehen.

Die Daten deuten darauf hin, dass eine CTBS-Behandlung des rechten Heschl’schen Gyrius zu einer Signalzunahme im kontralateralen auditorischen Kortex sowie in anderen kontralateralen Bereichen führt. Zusätzlich beobachten wir Veränderungen in der funktionellen Konnektivität zwischen den auditorischen Kortizes der beiden Hemisphären. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man TMS-Neuronavigationsgeräte einsetzt, um gezielt bestimmte Hirnareale anzusteuern, und wie man eine TMS-Behandlung in einer ML-Umgebung durchführt.

Dieses Verfahren ermöglicht es Forschenden, die durch TMS hervorgerufenen Effekte auf den auditorischen Kortex mittels fMRT abzubilden. Allerdings kann das Verfahren auch verwendet werden, um andere Zielbereiche, wie frontale oder parietale Areale, anzusteuern.