機能イメージングによるヒト聴覚皮質上のシータバースト刺激の後遺症のマッピング

この手順の全体的な目的は、機能的脳画像法と経頭蓋磁気刺激を組み合わせて聴覚皮質を調査することです。まず、機能的MRI局在化（functional Mr.Localizer）を行い、聴覚タスクに関連するネットワークを特定します。次に、この機能的MRI局在化のデータに基づいて、刺激ターゲットを定義します。

次に、刺激前の聴覚皮質の活動を測定するため、機能的MRスキャンを行います。その後、NEURONAVIGATIONツールを用いて、被験者の個別の解剖学的構造および機能に基づいてTMSコイルを配置します。この操作は、被験者がスキャナーベッドに横たわった状態で行います。

参加者がスキャナールームを何度も行き来することを避けるため、最終ステップとして参加者を速やかにスキャナーボア内へ戻し、fMRI撮像を開始します。最終的に、fMRIによってTMS誘発効果をマッピングすることが可能です。データにより、TMS後に聴覚ネットワークにおける機能的な再編成が起こることが示されました。

TMSは、特定の脳領域と認知機能の間の因果関係を調査するための独自のツールです。しかし、TMSによって誘発される脳活動の変化の部位や性質に関する情報が不足しているため、その解釈には限界があります。そのため、TMSによって誘発される機能的な変化を特定するために、TMSと機能的イメージングを組み合わせることにしました。

本研究と先行研究との違いは、標準的なオフラインTMSおよびfMRIでは、参加者がMRI室を離れ、別の部屋へ移動してTMSを受け、その後できるだけ早く戻らなければならないのに対し、本研究ではスキャナー室内でTMSを実施する点にあります。2回目のfMRIセッションにおいて、このような往復移動があることで、本プロトコルで用いたTMSによる脳機能の変化に変動性が加わる可能性があります。

頭部の位置が比較的安定して保持されるため、FM RI データの前後を比較する際の精度を高めることができます。さらに、TMS およびその効果のマッピングをより迅速に行うことが可能です。本プロトコルは2日間のセッションに分かれています。

1日目は、TMSのターゲット領域を決定するための解剖学的スキャンおよび機能的スキャンを含むFMRI LOCALIZERセッションを行います。2日目はFMRIセッションを行います。また、1日目のTMS前後で、被験者にスキャナー外でメロディ識別タスクの練習を行わせます。このタスクでは、被験者は連続する2つの5音のメロディが同一か異なるかを判定します。

非識別聴覚コントロールタスクも含まれており、被験者はすべてC5の同一ピッチである5つの音符からなる等長のパターンを聴取し、2番目の音の後にボタンを押します。次に、高解像度のMR解剖学的画像を撮像してMRIセッションを開始します。その後、勾配エコーEPIパルスシーケンスとスパースサンプリングパラダイムを用いて、MRIスキャンによるBOLD効果や聴覚遮蔽を最小限に抑えながら機能画像を撮像します。

スキャン完了後にノイズを除去します。解剖学的および機能的なランドマークの両方を用いて、被験者の刺激部位を定義してください。電界強度の減衰により、TMSは刺激部位の深さに制限があり、3 cm 以上の深さにある領域には到達できないことに留意してください。

個体間で解剖学的構造や機能に差異があるため、各被験者に対して同様のランドマークを使用することが極めて重要です。したがって、Harvard Oxford structural Atlasマスクで定義された解剖学的ランドマークを用いて、ヘシュル回（heschel's gyrus）の位置を特定します。マスクはここで緑色で示されており、次に、ヘシュル回内の活性化のピークを求めることでTMSターゲットを定義します。これは青い点で示されています。

また、音響的および体性感覚的なアーティファクトなどのTMSの非特異的な影響を制御するための部位として、頭頂部（vertex）を特定します。ここは解剖学的に、外後頭結節（inion）と鼻根の中点にあり、かつ左右の耳介切痕から等距離にある点と定義されます。刺激部位の順序は、被験者間でカウンターバランスをとる必要があることに留意してください。

TMS実験当日。すべての装置をセットアップします。まず、フレームレス立体定位固定装置から準備します。

コンピュータシステムは、TMS適用中に開放されるドアに隣接するスキャナールームの外側に配置する必要があります。システムのレジストレーションツールとトラッカー、およびマルチジョイントアームはMR対応です。ここで使用する赤外線カメラはMR非対応であるため、スキャナールーム内のスキャナードア付近で、スキャナーベッドから2m離れた位置に配置する必要があります。

TMS刺激装置システムは、MRIスキャナー室に隣接する部屋に配置する必要があります。MRI対応のTMSコイルをスキャナー室内で使用し、RFフィルターチューブ負荷を介した7mのケーブルでTMSシステムに接続します。参加者の解剖学的および機能的画像と刺激ターゲットをステレオタクティック・ソフトウェアパッケージに取り込みます。ここでは、スキャンを開始する前に、参加者の右ヘシュル回をターゲットにします。

被験者にMRスクリーニングフォームへの記入をしてもらい、すべての金属類を取り除きます。次に、s-localizerセッションで実施したものと同じ解剖学的および機能的スキャンを用いて、MR撮像を開始します。その後、スキャナーのベッドを外にスライドさせ、TMSセッションの間はずっとボディプラットフォームを上げたままにします。

上部のMr.Headコイルを取り外し、ヘッドバンドとトラッカーセットを被験者の頭部に固定し、マルチジョイントアームをスキャナーベッドに取り付けます。次に、MR対応TMSコイルをアームに固定します。すべてのトラッカーとコイルが、こちらのカメラの視野に入っていることを確認してください。

コイルの変位をより容易に追跡するため、カメラは被験者のわずかに右側に配置します。右半球を標的とする場合は、ステレオタクシー用ツールを用いて被験者の頭部を校正し、鼻尖、鼻根、および両耳の耳珠を、解剖学的データの対応するランドマークと共登録してください。この作業には2名の実験者が必要です。

まず、被験者の頭部とコンピュータの両方で操作を行い、コンピュータ上でのレジストレーションを実施します。次に、MR対応TMSコイルを頭皮に接するように接線方向に配置し、コイルトラッカーを赤外線カメラに向けます。コイルのハンドルは後方を向き、正中線と平行になるように方向を合わせてください。

マルチジョイントアームのネジを使用してコイルの位置を固定します。次に、TMSシステムを起動し、刺激を開始します。TMSは、50 Hzで3パルスの刺激を5 Hzの間隔で40秒間繰り返す連続シータバースト刺激などのパターン化されたプロトコルに従って適用する必要があります。

このプロトコルは、健康な被験者において、刺激終了後最大30分間皮質可塑性を調節することが示されています。刺激が完了したら、速やかに被験者をスキャナーに戻すことが重要です。すべてのTMS装置を取り外し、被験者の頭部をMr.Headコイルに挿入してください。

スキャンシーケンスを準備し、ロカライザースキャンの回数と時間を最小限に抑えていつでも開始できる状態にしておいてください。rTMSの効果は一時的であるため、最終的なスキャンセッションは機能的スキャンから開始する必要があります。同様に、メロディタスクの12分間のランニング中にfMRIを実施してください。

機能的スキャンが完了した後、実験の最後に解剖学的スキャンを行います。各fMRIセッションについて、TMS-fMRIセッションの前と後の両方で、fMRIデータの解析を個別に実施します。メロディーと聴覚コントロールタスクとの間でコントラスト分析を行います。

次に、T-M-S-F-M-R-Iセッション前後での差を評価するため、Studentの対応のあるt検定を用いて変量効果分析を行います。ここでは、1人の被験者におけるT-M-S-F-M-R-Iセッション前およびセッション後の、メロディ識別試験から聴覚コントロール試験を差し引いたコントラストの結果を示します。T-M-S-F-M-R-Iセッション前後の両方において、座標はMNI 1 52標準空間で表示されており、Heschl回を含む、刺激部位と対側にある左半球の変化を示しています。ここでは、Studentの対応のあるt検定を用いた、T-M-S-F-M-R-Iセッション後の結果からセッション前の結果を差し引いたコントラストの結果を確認できます。

データは、右側ヘシュル回を標的としたCTBSが、対側聴覚皮質およびその他の対側領域における信号の増加を誘導することを示唆しています。さらに、両半球の聴覚皮質間の機能的結合の変化も観察されました。このビデオを視聴することで、TMSニューロナビゲーション装置を用いて特定の脳領域を標的にする方法と、ML環境下でTMSを実施する方法について十分な理解を得ることができます。

本手順により、研究者はfMRIを用いて聴覚皮質におけるTMS誘発効果をマッピングすることが可能になります。なお、本手順は前頭葉や頭頂葉などの他の関心領域をターゲットとする場合にも適用可能です。