本文介绍了并行经颅磁刺激(TMS)通过激活与功能性磁共振成像(fMRI)发现引导过程中收集和分析脑电图(EEG)数据的方法。一种用于TMS假象去除事件相关电位的提取方法被描述以及考虑在范型设计和实验装置。
经颅磁刺激(TMS)是一种有效的方法建立一个皮质区和认知/神经生理效应之间的因果关系。具体地通过创建一个瞬态干扰的目标区域的正常活动并测量变化的电生理学信号,我们可以建立刺激大脑区域或网络和我们记录电生理信号之間的因果关系如果目标脑区都与之前的fMRI扫描功能定义,TMS可以用来记录与诱发电位连接的功能磁共振成像激活然而,在进行这样的实验呈现给由磁脉冲引入到脑电信号的高振幅文物显著的技术挑战困难,成功地针对该功能进行了功能磁共振成像所定义的区域在这里,峩们描述了一种方法用于混合这三种常用工具:TMS脑电图和功能磁共振成像。我们将解释如何引导刺激&#39S线圈到所需的目标区域使用解剖或功能性磁共振成像数据,如何在并发TMS记录脑电图如何设计适合脑电图-TMS组合,以及如何提取可靠的ERP系统从记录的数据的ERP研究我们將提供有代表性的结果从先前公布的研究中,功能磁共振成像制导TMS是同时使用脑电图表明面对选择性N1和ERP的身体选择性N1成分都与不同的神經网络在纹外皮层有关。这种方法可以让我们的fMRI的高空间分辨率结合TMS和脑电图的高时间分辨率因此获得各种认知过程的神经基础的全面叻解。
经颅磁刺激(TMS)产生瞬时干扰到大脑中的靶区域的正常神经活动通过创建这个短暂的神经干扰和测量行为或生理的变化,我们可鉯得出目标区域和实验测量结果之间的因果关系(综述见帕斯夸尔塞拉利昂等和泰勒等人 1,2)。这样的实验效果可以是例如,在认知任務或在电生理(EEG)活动的变化的性能事实上,近年来的研究人员已经开始使用TMS与脑电图结合直接关系皮质区与事件相关电位(ERP)或振荡活动模式( 如 2-7)在这种方法论文章中,我们将描述相结合的TMS和脑电图特定的和有用的框架:在一个ERP实验fMRI的引导TMS首先,我们将详细介绍洳何TMS适用于FM预定义区域RI同时记录脑电数据。然后我们将描述一个实验设计,允许提取可靠的ERP系统这样的实验的目标是与因果功能磁囲振成像的利息ERP成分透露链路的大脑区域。最后我们将给予有关脸部和身体的选择性与ERP的脸和身体被发现与选择功能磁共振成像领域研究的一个具体例子。
什么是联用功能磁共振成像激活脑电信号的好处脑电图和功能磁共振成像是常用的工具来测量皮层反应,视觉输入例如,类选择性在视觉通路被评定为不同的视觉对象的类别如脸部,身体部位并书面文字,无论是通过ERP系统的手段从脑电数据8,9和功能磁共振成像10-12提取然而,这两个共同的研究工具测得的信号是根本不同的性质,脑电图怀揣着伟大的时间有关的神经电活动信息精喥,但是非常低的空间分辨率并可以反映许多单独的底层源的混合物。功能磁共振成像提供了神经元活动的间接测量依赖于刺激呈现和/戓任务执行中出现的慢血流动力学改变但提出这一活动具有更高的空间分辨率。从而确立了两项措施之间的相关性可以有很大的兴趣泹在有限的,它并不意味着头皮记录的电生理反应和功能磁共振成像揭示了区域之间的因果关系即使同时测量( 例如 13-15),脑电图和功能萣义皮质区的活动之间的双向因果关系无法确定 TMS是一个可以帮助实现建立这样一个因果关系的工具。
一个同时脑电图-TMS研究在方法论上是具有挑战性的这主要是由于引入脑电图信号b高压神器y中的磁刺激( 见图1,综述见Ilmoniemi 等16)。这神器由一个短的瞬态脉冲生活相关的干扰往往紧接着就是可能会持续几百毫秒的脉冲传递图2A后,超然的兴趣最ERP成分较慢的二级(或剩余)神器这个次级伪影可以包括机械源,如甴磁脉冲感应到布线和这些电流在皮肤的缓慢衰减的电流和生理来源,例如在头皮和听觉或体感诱发电位由操作引起的肌肉活动线圈17-20雖然干扰的机械源可能产生较大振幅的文物比生理的,这些不同的工件不能分离其中的任何信号中的存在,可以混淆的结果一个可能使禄讯是重复的脉冲TMS前脑电图记录(“离线TMS”)的应用,而不是同时进行脑电图-TMS上皮层活动这样一个协议的抑制作用持续几分钟(而长達一个半小时)的刺激后,和脑电图可以在此有效时间窗内进行测量并与基线相比,预TMS脑电图数据。重复刺激然而,是通过定义缺乏网上TMS可以提供??,其中脉冲可以在精确的时间相对要给予审判开始在毫秒级的分辨率高时间分辨率重复刺激的效果也可以通过跨樾更广阔的领域皮层连接比期望的传播,因此显著降低空间分辨率为好
为了充分利用双方的空间和时间分辨率的TMS可以提供??,同时脑電图-TMS组合可以应用然而,这需要用于去除伪影的方法通过对脑电信号的磁刺激产生的为TMS假象去除很少下线的数学解决方案已被提出16,21,22,雖然没有方法达成一致也没有一个方法可能是最适合所有的实验设计。 A“剪切”的系统包括一个采样保持电路,也被开发过程中的TMS脉沖传递20到暂时停止脑电信号采集这种技术不仅需要专门的硬件,但可能无法完全去除残余的TMS神器在本文中,我们将介绍由Thut和他的同事19特别适合于ERP系统的研究开发的EEG-TMS方法的适应。这种技术可以让ERP系统的可靠提取同时消除所造成的一切TMS脉冲图2中的残余噪声成分。我们将進一步提供迈向成功的EEG-TMS实验装置一般指引
在TMS研究的另一个挑战寻址的In这个方法的论文是找到所需皮质区的准确定位的最佳线圈的位置和角度。我们将描述使用立体定位导航系统的给coregister被检者的头部与预采集功能MRI图像虽然导航系统可用于定位解剖定义的大脑结构,因为许多功能和效果的实验活化的精确位置不能从单独的解剖标记推断的功能磁共振成像引导的定位是特别有用的。对于感兴趣区域(ROI)这样的功能区域一个区域的定义是为每个单独的参与者。
为了说明上述所有的我们将提供我们以前进行的,其中脑电图是同时与TMS通过功能磁囲振成像激活7引导记录进行研究的例子在这项研究中,一个双解离面选择性和体内选择性的事件相关电位之间作出:虽然面部和身体的ERP豌豆?围绕同一延迟和电极位置,在横向枕叶靶向单独定义面选择性和体内选择性区域使我们能够离解的神经网络的每个ERP响应相关最后,我们会尽量给更广泛的意见以在TMS优化应用脑电记录。
该实验是在两个单独的会话进行在第一届会议的功能磁共振成像实验( 如功能性定位器)进行,以确定对个别科目进行所需的TMS的目标区域 fMRI的结果,然后送入一个立体定位导航系统针对一个准确的TMS第二届会议举行後的fMRI数据,在此期间脑电图的同时TMS记录的分析。这里所描述的方案经特拉维夫夫Sourasky医学中心的伦理委员会
1,fMRI的Session和功能磁共振成像数据分析
2准备一个范式脑电图-TMS实验,使提取的ERP
描述在下面的部分是对的方式允许提取可靠的和可复制的有效保护率在19 TMS的应用脑电图收集数据的方法。这种技术的优点是它可以轻松地处理二次,持久TMS工件,并具有足够的鲁棒甚至允许在位于正下方的TMS?电极恢复数据的油,那里的神器是最高电压和持续时间最长的。
3,建立了脑电图和神经导航系統并进行了实验
的单独定义的ROI定位准确TMS为可能与使用立体定位导航的gation系统,由红外摄像头安装在参与者的头部,和一个专门的软件红外传感器
4,分析的脑电数据和计算ERP
并发脑电图-TMS调查是用来揭示了ERP响应面,并记录在枕颞部頭皮机构是否分离当视觉刺激呈现,一个突出的N1成分被记录在后外侧电极位置特别是,N1成分通常是较大的脸上身上,而不是其他的刺激类别8,33通过评估刺激对面部和与fMRI的它们各自的面部和身体N1组件定义体选择性脑区的影响,我们试图揭示面部和身体N1回应是否反映(至尐部分地)不重叠的来源或者说同样的网络活动与定量不同的激活水平。
我们采用了双脉冲刺激在60毫秒和100毫秒的图像后发病(例如,參见投手等人 34,35)在脸上选择性和体内选择性区域在横向occip ITAL皮质-枕叶面孔区(OFA)和纹外体面积(EBA)( 图4A,见上面的相关功能磁共振成像的定義第1.3节的对比)这两个区域被刺激在不同的区块,同时观察受试者的面孔和无头尸体的图像结果表明,刺激的OFA提升N1振幅的面孔而不是身体而刺激到EBA提升N1到身体,却不能到面 图2B描绘了脸N1之前和TMS残留神器减法之后, 图4B示TMS的N1成分作为刺激面积的函数的具体效果
这些结果表明并发脑电记录时如何fMRI的引导TMS可用于评估两个(或更多)的神经网络是否被解离,以及建立一个功能定义的大脑区域和电生理信号之间嘚因果关系
原始数据和处理数据,在横向枕电极
原始脑电数据包括两项试验中,40毫秒(红色箭头)分隔每个包含两个TMS脉冲
放大到脉冲切除后的数据两个脉冲在每个试验从数据通过切削周围的双脉冲的一个窗口(2毫秒的第一脉冲之前到16毫秒的第二脉冲之后)除去。切割邊缘然后由内插(红色箭头)的连接方式如4.1.2所述
内插的段允许滤波,而无需创建边缘伪影在该图中,40赫兹的低通滤波的ERP(红色)作图其非滤波版本(灰色
作为替代插补被维持脉冲除去后的自由端可连接在一起(例如,参见Fugetta
并在文本点4.1.2)这里,两种方法进行比较并顯示高度相似的波形(蓝色和红色迹线大多重叠),之后在40赫兹的低通滤波红色轨迹:线性插值的方法;蓝色轨迹:无插值(连接边缘拆開仅供密谋宗旨,不断时间轴的一致性)
图2:TMS文物和减法技术 (一)左-
ERP的时间锁定到面部的图像的呈现,与双脉冲TMS在60毫秒和100毫秒图像后發病每一行代表一个电极。请注意对于某些电极直接TMS工件之后是一个较长的残留伪影。正确的-大概线圈的位置是由两个红色圆圈象征和一些电极被标记为方向,(B)神器-减法的过程眼前的脉冲神器被删除(隐藏),剩余噪声的模板是基于“只有TMS”试验中测出并从铨试验中减去。改编自Sadeh
图3立体定向导航系统。上图:地标设置为corregistration为了corregister头的结构的扫描与在实验过程中的实际头位置,解剖标志被标记嘚图像上如箭头所示。然后在对被检者的头部相同的地标空间位置提供给系统与由相机底部检测出一个专门的跟踪器的帮助下:脑功能区可以精确定位。激活重叠的解剖图像上并希望区域标记并保存。会议期间实验者可以加载一个预先定义的区域来定位TMS。
双脉冲TMS施加要么向右OFA或向右EBA在60毫秒和100毫秒的一个面或一个无头体图像的后发病。面对-N1和体N1反应之间的分离作出
这两个目标区域中有代表性的题目
咗-面部和身体网络之间的双重分离 TMS到OFA增强N1的响应面,而不是机构相对于TMS的EBA。相反的图案示为无头体的刺激右键 - N1峰值振幅的面孔和身體,下面的OFA的刺激EBA刺激,无TMS刺激误差棒表示SEM。这个数字是改编自Sadeh许可
具有独特的能力暂时中断在选定的皮质区正常神经元的活动,茬精确的时间点并具有相对良好的空间精度,TMS允许因果关系与行为或神经生理学测量链路一个刺激大脑区域在本文中,我们描述了一種在并发应用TMS脑电图测量目标定义功能皮层区,并应用分析使ERP系统响应的可靠的测量。我们举了一个例子来自于它的TMS被用于与EEG和fMRI的组匼来询问是否给予fMRI的定义的大脑区域( 即 OFA和EBA)是因果关系与ERP回应他们的首选刺激( 即面孔和身体)相关的文献
描述的减法技术,这是验證19和一些研究7,26,27应用有几个值得注意的优点:它允许消除的残差人长期TMS神器占地最显著的ERP成分的时间窗口;它同样消除了伪影分量从肌肉,機械(电气干扰到电极)和非期望的皮层( 例如听觉)的起源;并且它是坚固和可靠的,即使在电极的正下方或其附近的线圈躺注意,線路噪声也可以显着在这些电极中,除了增强的振幅的TMS脉冲的工件由于线圈可能接触或趴在靠近电极或导线。这里展示的技术能够有效保护率在这些电极部位的提取以及。这是最重要的因为很多时候感兴趣的诱发反应起源于或接近刺激皮质区。此外从整个头皮恢複的信号是必要的,其中源重建算法所需的箱子
研究工具的组合SUCH为TMS,EEG和fMRI的每一个提出的神经活动的不同方面和攻击从不同的角度类似嘚问题,是一种很有前途前进的人类认知和脑功能的研究它可以预料,TMS将越来越多地用于与脑电图结合因果联营认知或行为功能的电活動并进一步探讨目前正在开发领域,如同步脑震荡和连通性,在高时空分辨率
作者宣称,他们有没有竞争的财务权益
我们要感谢夶卫投手他对这个实验的TMS宝贵贡献。这项研究是由来自莱维 - 爱德生 - 吉特研究所的脑映射到BS从沃尔夫森基金会授予的奖学金资助;授予65/08及1657至1608姩从以色列科学基金会和英国文化协会研究人员交流计划,以黏实验是在沃尔学院高级成像特拉维夫夫Sourasky医学中心进行的一项旅费补助。