Kortikaalisen kiihottumisen ja kognitiivisen toiminnan tutkiminen TMS:llä

Yhteensä 60 osallistujaa rekrytoidaan osallistumaan tähän kokeeseen. Tutkijat pyrkivät värväämään 30 potilasta, joilla on MCI, ja 30 samanikäistä tervettä aikuista. Mukaan otettavan ikähaarukka on 18–80 vuotta, ja terveen kohortin keski-ikä vastaa MCI-kohortin keski-ikää. Seuraavia tarkistettuja Mayo Clinic -kriteerejä MCI:lle käytetään: (1) lääkärin, informantin, osallistujan tai sairaanhoitajan ilmaisema kognitiivinen huoli; (2) yhden tai useamman kognitiivisen alueen (muisti, kieli, visuaaliset taidot tai toimeenpanotoiminnot) heikkeneminen; (3) olennaisesti normaalit toiminnalliset toiminnot; ja (4) dementian puuttuminen. MCI-potilailla on Mini-Mental State Exam (MMSE, liite 19) pisteet 18–23 (mukaan lukien) ja kliinisen dementian arviointiasteikon pistemäärä on 0,5.

Tämä tutkimusprotokolla sisältää yhden testauskäynnin, joka koostuu neljästä erillisestä osasta: a) lepotilan fMRI, b) yhden pulssin TMS-paradigma, c) theta-purske rTMS-paradigma ja d) lyhyt motorinen tehtävä iPadilla.

Nämä tehtävät toistetaan ennen ja jälkeen theta-purskeen rTMS-paradigman (c). Siksi testikäynti on:

(a) --> (d) --> (b) --> (c) --> (b) --> (a) --> (d)

Tämän protokollan avulla tutkijat voivat tutkia seuraavia asioita sekä ennen rTMS-paradigmaa että sen jälkeen: 1) aivojen toiminnalliset verkostot käsittävät yhteysmallit, 2) yksipulssisesta TMS:stä johdetut aivokuoren kiihtyvyysmitat ja 3) yläraajojen moottorin nopeus & terävyys.

Transkraniaalinen magneettistimulaatio:

Magneettistimulaatio suoritetaan suuritehoisella MagPro X100:lla (MagVenture Inc. Tanska)(Liite 11). Kun TMS-laite tuottaa ärsykkeitä, potilaat voivat tuntea ja/tai napsahduksen/koputuksen tunteen kelan alla. Osallistujille annetaan korvakuulokkeet lisävarotoimenpiteenä kuulon suojaamiseksi TMS-istunnon aikana. Ennen TMS-istunnon aloittamista tutkimusryhmä varmistaa, että osallistuja viihtyy TMS-tuolissa mahdollisimman mukavasti.

Yhden pulssin TMS-paradigma:

Ensinnäkin laite on kalibroitava jokaiselle yksilölle, koska jokaisella on erilainen herkkyys TMS:n synnyttämille magneettikentille. TMS-laite kalibroidaan sen varmistamiseksi, että osallistuja saa pienimmän mahdollisen "annoksen". Tätä varten TMS-käämi sijoitetaan päänahkaan suoraan sormen liikkeistä vastaavan aivojen alueen yläpuolelle, joka on tietty alue motorisessa aivokuoressa, joka sijaitsee esikeskuksessa. TMS-kela lähettää sitten pulsseja, jotka lisääntyvät asteittain, kunnes saavutetaan taso, joka saa heidän kätensä nykimään (erityisesti peukalo ja osoitinsormi). Tämä tarkkaillaan visuaalisesti ja tallennetaan kvantitatiivisesti elektromyografian (EMG) antureilla. Käden nykimiseen tarvittavaa energiaa kutsutaan "moottorikynnykseksi", ja se vaihtelee kaikilla. Tätä "moottorikynnystä" käytetään sitten koneen kalibroimiseen TMS-protokollaa varten.

Kahdeksan suuruinen TMS-kela pidetään motorisen aivokuoren päällä optimaalisessa päänahan asennossa moottorin aiheuttamien potentiaalien (MEP) aikaansaamiseksi kontralateraalisessa ensimmäisessä selkäluun välisessä (FDI) lihaksessa. Sormen liikkeen visuaalisen havainnoinnin lisäksi tutkijat kiinnittävät myös pintaelektromyografiaelektrodit (EMG) oikean FDI:n ihoon. Elektrodit havaitsevat kaiken toiminnan lihaksissa, mikä antaa tarkemman mittauksen henkilökohtaiselle "motoriikkakynnykselle". Tarkkaa sijaintia, joka saa aikaan motorisen vasteen kontralateraalisessa suorassa suorassa sijoituksessa, kutsutaan "kuumaksi pisteeksi". Tämä sijainti tallennetaan käyttämällä reaaliaikaista TMS 3D Neuronvigation System -järjestelmää (Localite TMS Navigator, Saksa, http://www.localite.de/en/products/tms-navigator/#c572) varmistaaksesi testauksen johdonmukaisuuden seuraavissa kokeissa. Localite on ohjelmistopaketti, jota käytetään yhdessä TMS-laitteiden kanssa. Siinä on infrapunakamera, joka tallentaa TMS-kelan sijainnin suhteessa osallistujan päähän. Tämän ansiosta tutkijat voivat luotettavasti sijoittaa kelan samaan tarkkaan paikkaan koko istunnon ajan.

Lepomotorinen kynnys (RMT) määritellään ärsykkeen vähimmäisintensiteetiksi, joka tuottaa liminaalisen MEP:n (noin 50 μV 50 %:ssa 10 kokeesta) levossa. Aktiivinen motorinen kynnys (AMT) määritellään yleensä ärsykkeen vähimmäisintensiteetiksi, joka tuottaa liminaalisen MEP:n (noin 200 μV 50 %:ssa 10 kokeesta) testatun lihaksen isometrisen supistuksen aikana. Sekä RMT että AMT ilmaistaan ​​prosentteina magneettistimulaattorin maksimitehosta. Yksittäisten osallistujien RMT- ja AMT-tiedot toimivat jännittävyyden perusmittana seuraavien yksittäisten pulssien ja toistuvien TMS-protokollien intensiteetin ohjauksessa. Tämä suoritetaan vasemmalle pallonpuoliskolle. Tutkijat käyttävät myös Parameter Estimation Sequential Testing (PEST) -algoritmia RMT:n ja AMT:n tunnistamiseen tehokkaammin.

Kun motorinen kynnys ja "kuuma piste" on tunnistettu osallistujalle, TMS-kela sijoitetaan "kuumapisteen" päälle, jonka Localite Navigator -ohjelmisto on aiemmin tallentanut, ja asettaa ärsykkeen intensiteetiksi 80 %:lle osallistujista yksilöllisesti tunnistettu AMT. . Jos esimerkiksi tietyn henkilön aktiivisen moottorin kynnys on määritetty 40 %:ksi MagPron maksimitehosta, laitteen intensiteetti asetetaan 32 %:iin yksittäisen pulssin protokollan maksimitehosta (32 vastaa 80 % 40 %:sta , AMT tässä esimerkissä). Tällä hetkellä syötetään 8 TMS-pulssia (6 sekunnin välein), kun TMS-kela on kiinnitetty "kuumapisteeseen". Tämä vaihe toistetaan kasvavin askelin (eli 10 % AMT:stä) intensiteettiin, joka vastaa 150 % osallistujan AMT:stä. Tämä protokolla koostuu 64 yksipulssisesta ärsykkeestä, jotka lähetetään toistuvasti 6 sekunnin välein. Tämä menettely on turvallinen ja noudattaa standardeja yksipulssisia TMS-protokollia, jotka on julkaistu aiemmin.

Tämä yhden pulssin TMS-protokolla suoritetaan kahdesti, sekä ennen rTMS-protokollaa että sen jälkeen. Jokainen yksipulssinen TMS-protokolla kestää noin 30 minuuttia. Yhdessä tämä vastaa 128 ärsykettä "Single Pulses TMS" -paradigmien aikana. Koko yhden pulssin protokollan aikana osallistujia pyydetään koskettelemaan vaaleanpunaisia ​​ja peukalosormiaan, jotta he saavat aikaan hienovaraisen vapaaehtoisen supistuksen taustalla. Tämä "helpottaa" motorista reittiä ja alentaa stimulaation intensiteetin kynnystä koko protokollan ajan.

rTMS:

Toistuvassa TMS (rTMS) -protokollassa käytetään kuvioitua rTMS-paradigmaa, jota kutsutaan intermittoivaksi thetapurskestimulaatioksi (iTBS). iTBS koostuu kolmesta kaksivaiheisesta TMS-ärsykkeestä, jotka esitetään 50 Hz:llä ja jotka toistetaan 200 ms:n välein 2 sekunnin ajan intensiteetillä 80 % AMT:stä (esim. jos AMT:n määritetään olevan 40 % maksimitehosta, TMS toimitetaan 32 %:lla tälle protokollalle). Siksi jokainen stimulaatiosarja kestää kaksi sekuntia (30 ärsykettä per juna) ja harjoitusten välinen aikaväli on 8 sekuntia. Tämä rTMS-protokolla koostuu 10 iTBS-junasta, joissa on yhteensä 300 ärsykettä magneettikelasta.

Tämän rTMS-protokollan aikana kela sijoitetaan vasemman pallonpuoliskon "hotspotin" päälle. rTMS-protokolla suoritetaan vain kerran ja se kestää noin 10 minuuttia.

MRI-protokollat:

Tämä tapahtuu samassa rakennuksessa, huoneessa, joka on TMS-laitteen vieressä. Turvallisuussyistä osallistujia pyydetään jättämään kaikki metalliesineet ja henkilökohtaiset tavarat (esim. lompakko, puhelin, korut) MRI-keskuksen odotushuoneeseen ennen skannerihuoneeseen saapumista. Osallistujia pyydetään makaamaan selällään ja pysymään paikallaan magneettikuvauksen ajan. Heille annetaan korvatulpat, jotka vaimentavat melua ja suojaavat kuuloaan, kun he ovat skannerissa. Tarranauha voidaan myös asettaa otsalle, ja vaahtomuovityynyt toimitetaan minimoimaan pään liikkeet skannauksen aikana. Osallistujat pyritään saamaan mahdollisimman mukavaksi skannauksen aikana, mukaan lukien lämmittävät peitot ja tyynyt, jotka asetetaan polvien/selän alle selällään makaamisesta aiheutuvan stressin vähentämiseksi.

Osallistujia muistutetaan ennen skannausta, että heidän osallistumisensa on vapaaehtoista, ja he voivat milloin tahansa ilmoittaa lopettavansa skannauksen. Skannerissa on sisäpuhelinjärjestelmä, jonka avulla osallistujat voivat kommunikoida MRI-teknikon ja tutkimusryhmän jäsenten kanssa koko skannerissa ollessaan. Lisäksi he voivat keskeyttää tutkimuksen välittömästi milloin tahansa joko puristamalla käteensä asetettua signaalipalloa, joka hälyttää valvomossa olevaa MRI-teknikkoa, tai nostamalla jalkansa kokeen suorittajalle. valvomossa.

Tärkeää on, että varjoainetta ei käytetä MRI-tietojen keräämisessämme. Lisäksi kaikki MRI-tiedot hankitaan "lepotilassa", joten osallistujia pyydetään vain rentoutumaan ja pysymään paikallaan skannauksen ajan.

Tarkemmin sanottuna MRI-tiedot kerätään Siemens 3.0 Tesla Skyra Magnetista, joka on varustettu 32-kanavaisella pääkelalla. Kokonaisskannausaika on 30 minuuttia. Sekvenssien järjestys on seuraava: lokalisointiskannaus (62 sekuntia), rakenteellinen MPRAGE (9 minuuttia), lepotilan fMRI-skannaus (5 minuuttia) ja diffuusiotensorikuvaus (DTI) (14 minuuttia). Kohdistaja kerätään seuraavilla parametreilla - suunta: huonompi kuin parempi, TR = 8,6 ms, kaikuaika (TE) = 4,0 ms, kääntökulma = 20, FOV = 250 mm, 5 viipaletta, 7 mm viipaleen paksuus. Korkearesoluutioiset rakenteelliset kuvat hankitaan käyttämällä T1-painotettua spoiled gradient Reced (SPGR) -sekvenssiä (TR = 22 ms; TE = 5,4 ms; FOV = 25,6 cm; kääntökulma = 20°; tasomatriisin koko = 256 x 256 ; viipaleen paksuus = 1 mm; viipaleiden lukumäärä = 172). Koko aivojen lepotilan fMRI-tiedot kerätään käyttämällä T2*-painotettua kaikutasokuvausta (EPI) (TR = 1,5 s; TE = 30 ms; FOV = 25,6 cm; kääntökulma = 90°; tasomatriisin koko = 64 x 64; viipaleen paksuus = 4 mm), tuloksena on toiminnalliset tiedot 39 aksiaalisesta viipaleesta, joiden isotrooppiset vokselit ovat 4 mm3. Lepotilan fMRI-skannauksen aikana osallistujat kiinnittävät hiusristikkoon silmät auki. DTI-kuvat hankitaan aksiaalisessa tasossa käyttämällä diffuusioherkkää rinnakkaista EPI-sekvenssiä, joka mittaa diffuusiota 86 suuntaan (b-tekijä = 1000 s/mm2; TR = 7s; TE = 82,5 ms; näkökenttä (FOV) = 25,6 cm , matriisi = 128 x 128, 2 mm lomitetut viipaleet; rinnakkainen kiihtyvyystekijä = 2).

Lepotilan fMRI-tiedot esikäsitellään liukuhihnalla (http://wiki.biac.duke.edu/biac:analysis:resting_pipeline) ja työkalut Brain Software Libraryn Oxford Center for Functional MRI -keskuksessa (FSL-versio 5.0.5, www.fmrib.ox.ac.uk/fsl). Esikäsittelyvaiheisiin kuuluvat viipaleen aikakorjaus, MCFLIRT liikkeen korjaukseen, Brain Extraction Tool (BET) aivojen erottamiseen ja FLIRT normalisointi MNI 152 T1 -malliin (Montreal Neurological Institute, Montreal, Kanada). Tutkijat regressoivat signaalin valkoisesta aineesta ja aivo-selkäydinnesteestä FSL FAST -ohjelmalla luotujen maskien perusteella ja tasoittivat tiedot 5 mm:n ytimellä FSL SUSANia käyttämällä. Temporaalinen kaistanpäästösuodatus rajoittaa datan taajuuksille 0,001–0,08 Hz:n kaistalla. Powerin et al.:n suosituksen mukaisesti tutkijat suorittavat liikepuhdistuksen käyttämällä 0,5 prosentin kehyskohtaista siirtymäkynnystä ja 0,5 prosentin aikakulun varianssikynnystä (DVARS).

Käyttäytymismittaus: Motorinen tehtävä

Tutkijat käyttävät käyttäytymismittauksissamme digitaalisella tietokoneohjelmistolla Cantab (Cambridge Cognition Ltd., Englanti) varustettuja iPadeja. Cantab on pilvipohjainen, tietokoneistettu kognitiivinen arviointiohjelmisto, joka on hyvin validoitu työkalu akateemiseen tutkimukseen. Tutkijat aikovat käyttää 1) Motorinen seulontatehtävä, 2) Paired Associates Learning Test (tabletilla) moottorin ja muistin toimintojen mittaamiseen, vastaavasti.

Moottorinseulontatehtävä edellyttää, että osallistujat koskettavat vilkkuvaa ristiä, joka näkyy eri paikoissa näytöllä. Tulosmitat sisältävät osoittamisen tarkkuuden ja reaktioajan.