Mapowanie następstw stymulacji wiązką theta w ludzkiej korze słuchowej z wykorzystaniem obrazowania funkcjonalnego

Ogólnym celem tej procedury jest połączenie funkcjonalnego obrazowania mózgu z transkranialną stymulacją magnetyczną w celu zbadania kory słuchowej. Jest to realizowane poprzez przeprowadzenie w pierwszej kolejności funkcjonalnego badania lokalizacyjnego MRI (fMRI localizer), aby zidentyfikować sieć powiązaną z zadaniem słuchowym. Następnie, na podstawie danych z funkcjonalnego badania lokalizacyjnego MRI, definiowany jest cel stymulacji.

Następnie należy wykonać funkcjonalne badanie MR w celu pomiaru aktywności w korze słuchowej przed stymulacją. Potem należy użyć narzędzi do NEURONAWIGACJI, aby ustawić cewkę TMS względem indywidualnej anatomii i funkcji uczestnika. Czynność ta jest wykonywana, gdy badany leży na stole skanera.

Aby uniknąć wielokrotnego przemieszczania uczestnika z pomieszczenia ze skanerem, ostatnim krokiem jest jak najszybsze wsunięcie uczestnika z powrotem do gantry skanera i rozpoczęcie akwizycji fMRI. W efekcie fMRI pozwala na mapowanie efektów wywołanych przez TMS. Dane wykazały, że po zastosowaniu TMS następuje funkcjonalna reorganizacja w obrębie sieci słuchowej.

TMS jest unikalnym narzędziem do badania związków przyczynowo-skutkowych między konkretnymi obszarami mózgu a funkcjami poznawczymi. Jednak jego interpretacja jest ograniczona ze względu na brak informacji dotyczących lokalizacji i charakteru zmian w aktywności mózgu wywołanych przez TMS. Dlatego zdecydowaliśmy się połączyć TMS z obrazowaniem funkcjonalnym, aby określić zmiany funkcjonalne indukowane przez TMS.

Różnica między naszym badaniem a badaniami poprzednimi polega na tym, że przeprowadzamy TMS w pomieszczeniu ze skanerem w standardowym trybie offline TMS i fMRI. Wcześniej uczestnik musiał opuścić pomieszczenie MRI, przejść do innego pokoju w celu otrzymania TMS, a następnie powrócić tak szybko, jak to możliwe. W przypadku drugiej sesji fMRI takie przemieszczanie się może wprowadzać zmienność w zmiany mózgowe wywołane przez TMS w naszym protokole.

Pozycja głowy pozostaje stosunkowo stabilna, co może prowadzić do większej dokładności podczas porównywania danych FM RI sprzed i po zabiegu. Dodatkowo, efekty TMS i użyte mechanizmy zostaną zmapowane szybciej. Protokół ten jest podzielony na sesję dwudniową.

Pierwszy dzień obejmuje sesję lokalizacyjną fMRI z obrazowaniem anatomicznym i funkcjonalnym w celu zdefiniowania obszarów docelowych dla TMS. Drugi dzień składa się z sesji fMRI, zarówno przed, jak i po zastosowaniu TMS w pierwszym dniu, podczas których uczestnik ćwiczy zadanie dyskryminacji melodii poza skanerem. W tym zadaniu badany wskazuje, czy dwie kolejne pięcionutowe melodie są takie same, czy różne.

Włączono również zadanie kontrolne słuchowe bez dyskryminacji, w którym badany słyszy wzorce pięciu nut o tej samej długości, wszystkie o tej samej wysokości dźwięku C5, i naciska przycisk po drugim tonie. Następnie należy rozpocząć sesję MRI od pozyskania obrazu anatomicznego MR o wysokiej rozdzielczości. Potem należy pozyskać obrazy funkcjonalne, wykorzystując sekwencję impulsów EPI echo gradientowe oraz paradygmat rzadkiego próbkowania, aby zminimalizować efekt BOLD lub maskowanie słuchowe wynikające z badania MRI.

Po zakończeniu skanowania występuje szum. Wyznacz miejsce stymulacji badanego, korzystając z punktów orientacyjnych anatomicznych i funkcjonalnych. Należy pamiętać, że TMS ma ograniczenia w zakresie głębokości miejsca stymulacji ze względu na tłumienie natężenia pola elektrycznego wraz z głębokością i nie można oczekiwać dotarcia do obszarów położonych głębiej niż 3 cm.

Kluczowe jest stosowanie podobnych punktów orientacyjnych dla każdego uczestnika, pomimo różnic anatomicznych i funkcjonalnych między osobnikami. Należy zatem wykorzystać punkty anatomiczne do zlokalizowania zakrętu Heschla zgodnie z maskami z atlasu strukturalnego Harvard Oxford. Maska jest tutaj zaznaczona na zielono; następnie wyznaczono punkt docelowy TMS, odnajdując szczyt aktywacji w obrębie zakrętu Heschla, co zaznaczono tutaj niebieską kropką.

Należy również wyznaczyć koronę głowy (vertex) jako miejsce kontrolne dla nieswoistych efektów TMS, takich jak artefakty akustyczne i somatosensoryczne. Jest on definiowany anatomicznie jako punkt znajdujący się w połowie drogi między inion a nasadą nosa, w równej odległości od prawego i lewego nacięcia międzywyrostkowego. Należy pamiętać, że kolejność stymulacji poszczególnych punktów powinna być zrównoważona (counterbalanced) w odniesieniu do poszczególnych osób.

W dniu przeprowadzenia eksperymentu TMS przygotuj cały sprzęt, zaczynając od bezramowego systemu stereotaksycznego.

System komputerowy musi zostać umieszczony poza pomieszczeniem skanera, w sąsiedztwie drzwi, które pozostaną otwarte podczas zastosowania TMS. Narzędzia rejestracyjne i trackery systemu są kompatybilne z MR, podobnie jak ramię wielostawowe. Kamera podczerwieni użyta w tym przypadku nie jest kompatybilna z MR, dlatego musi zostać umieszczona w odległości dwóch metrów od stołu skanera wewnątrz pomieszczenia skanera, w pobliżu drzwi.

System stymulatora TMS powinien znajdować się w pomieszczeniu sąsiadującym z pomieszczeniem skanera MRI. W pomieszczeniu skanera zostanie użyta cewka TMS kompatybilna z MRI, połączona z systemem TMS za pomocą siedmiometrowego kabla przez filtr RF, a obrazy anatomiczne i funkcjonalne uczestnika oraz cele stymulacji zostaną wprowadzone do stereotaktycznego pakietu oprogramowania. W tym przypadku przed rozpoczęciem skanowania będziemy celować w prawą zakręt Heshla uczestnika.

Poproś badanego o wypełnienie kwestionariusza przesiewowego do MR i usunięcie wszystkich metalowych przedmiotów. Następnie rozpocznij akwizycję MR, wykonując skany anatomiczne i funkcjonalne identyczne z tymi, które przeprowadzono podczas sesji lokalizacyjnej. Następnie wysuń stół skanera, utrzymując platformę do ciała w pozycji podniesionej przez całą sesję TMS.

Zdejmij górną cewkę Mr.Head i zamocuj opaskę oraz zestaw trackerów na głowie uczestnika, a następnie zamocuj wielostawowe ramię do stołu skanera. Następnie zamocuj kompatybilną z MR cewkę TMS na ramieniu. Zweryfikuj, czy wszystkie trackery i cewka znajdują się w polu widzenia kamery tutaj.

Kamera znajduje się nieco po prawej stronie uczestnika, aby umożliwić łatwiejsze śledzenie przemieszczenia cewki. Podczas celowania w prawą półkulę, skalibruj głowę badanego za pomocą narzędzi stereotaktycznych, a następnie dokonaj korejestracji czubka nosa, nasionu oraz tragusa obu uszu z odpowiadającymi im punktami orientacyjnymi na danych anatomicznych. Do wykonania tej czynności potrzebni są dwaj eksperymentatorzy.

Krok pierwszy: przy głowie uczestnika oraz przy komputerze w celu wykonania rejestracji w komputerze. Kolejna pozycja: cewka TMS kompatybilna z MR ustawiona stycznie do skóry głowy, z trackerami cewki skierowanymi w stronę kamery podczerwieni. Cewka powinna być zorientowana tak, aby uchwyt był skierowany do tyłu i równolegle do linii środkowej.

Ustabilizuj pozycję cewki za pomocą śrub na ramieniu wielostawowym. Następnie włącz system TMS i rozpocznij stymulację. TMS należy zastosować zgodnie z określonym protokołem, takim jak ciągła stymulacja theta burst, składająca się z trzech impulsów o częstotliwości 50 hertz, powtarzanych z częstotliwością 5 hertz przez 40 sekund.

Wykazano, że protokół ten moduluje plastyczność kory przez czas do 30 minut po zaprzestaniu stymulacji w populacjach zdrowych. Po zakończeniu stymulacji ważne jest, aby jak najszybciej umieścić badanego ponownie w skanerze. Należy usunąć cały sprzęt TMS i wsunąć głowę uczestnika do cewki Mr.Head.

Upewnij się, że sekwencje skanowania są przygotowane i gotowe do uruchomienia, a liczba oraz czas trwania skanów lokalizacyjnych zostały ograniczone do minimum. Ponieważ efekty rTMS są przejściowe, ostatnia sesja skanowania powinna rozpocząć się od skanu funkcjonalnego. Ponownie, przeprowadź fMRI podczas 12 minutowej serii zadania z melodią.

Po zakończeniu skanowania funkcjonalnego, po zakończeniu eksperymentu, wykonaj skanowanie anatomiczne. Przeprowadź analizę danych fMRI oddzielnie dla sesji przed i po TMS-fMRI w każdej z sesji fMRI. Wykonaj kontrast pomiędzy melodiami a kontrolnym zadaniem słuchowym.

Następnie, aby ocenić różnice między sesjami przed i po T-M-S-F-M-R-I, należy przeprowadzić analizę efektów losowych z wykorzystaniem sparowanego testu t studenta. Tutaj widzimy wyniki kontrastu dyskryminacji melodii minus próby kontrolne słuchowe dla pojedynczego uczestnika w sesji przed T-M-S-F-M-R-I oraz w sesji po T-M-S-F-M-R-I; dla obu sesji, przed i po T-M-S-F-M-R-I, współrzędne są przedstawione w standardowej przestrzeni MNI 1 52, aby pokazać zmiany w lewej półkuli przeciwległej do miejsca stymulacji, w tym w zakręcie Heschla. Tutaj możemy zobaczyć wyniki kontrastu sesje po minus przed T-M-S-F-M-R-I z zastosowaniem sparowanego testu t studenta.

Dane sugerują, że CTBS nakierowany na prawy zakręt Heschla indukuje wzrost sygnału w przeciwległej korze słuchowej oraz w innych przeciwległych obszarach. Ponadto obserwujemy zmiany w łączności funkcjonalnej między korami słuchowymi w obu półkulach. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze rozumieć, jak wykorzystać sprzęt do neuronawigacji TMS do celowania w konkretne obszary mózgu oraz jak przeprowadzać TMS w środowisku ML.

Niniejsza procedura umożliwia badaczom mapowanie efektów wywołanych przez TMS w korze słuchowej przy użyciu fMRI. Procedura ta może być jednak wykorzystana również do celowania w inne obszary zainteresowania, takie jak obszary czołowe lub ciemieniowe.