Badanie pobudliwości korowej i funkcji poznawczych za pomocą TMS

W sumie do udziału w tym badaniu zostanie zrekrutowanych 60 uczestników. Badacze zamierzają zrekrutować 30 pacjentów z MCI i 30 zdrowych osób dorosłych w odpowiednim wieku. Przedział wiekowy do włączenia będzie wynosił 18-80 lat, a średni wiek zdrowej kohorty zostanie dopasowany do średniego wieku kohorty MCI. Zastosowane zostaną następujące zmienione kryteria Mayo Clinic dla MCI: (1) problemy poznawcze wyrażone przez lekarza, informatora, uczestnika lub pielęgniarkę; (2) upośledzenie w 1 lub więcej domenach poznawczych (pamięć, język, zdolności wzrokowo-przestrzenne lub funkcje wykonawcze); (3) zasadniczo normalne czynności funkcjonalne; oraz (4) brak demencji. Osoby z MCI uzyskają wyniki Mini-Mental State Exam (MMSE, Załącznik 19) między 18 a 23 (włącznie) i uzyskają wynik w Klinicznej Skali Oceny Otępienia wynoszący 0,5.

Ten protokół badania obejmuje pojedynczą wizytę testową, składającą się z czterech oddzielnych elementów: a) fMRI w stanie spoczynku, b) paradygmat TMS z pojedynczym impulsem, c) paradygmat rTMS z impulsem theta oraz d) krótkie zadanie motoryczne wykonywane na iPadzie.

Zadania te zostaną powtórzone przed i po paradygmacie rTMS typu theta-burst (c). Wizyta testowa to zatem:

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

Protokół ten umożliwi badaczom zbadanie następujących elementów zarówno przed, jak i po paradygmacie rTMS: 1) wzorców połączeń obejmujących funkcjonalne sieci mózgu, 2) pomiarów pobudliwości korowej pochodzących z pojedynczego impulsu TMS oraz 3) prędkości motorycznej kończyn górnych i ostrość.

Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna:

Stymulacja magnetyczna zostanie przeprowadzona za pomocą MagPro X100 o dużej mocy (MagVenture Inc. Dania) (załącznik 11). Kiedy maszyna TMS dostarcza bodźce, pacjenci mogą odczuwać i/lub wrażenie klikania/stukania pod cewką. Uczestnicy otrzymają zatyczki do uszu jako dodatkowe środki ostrożności w celu ochrony słuchu podczas sesji TMS. Przed rozpoczęciem sesji TMS zespół badawczy upewni się, że uczestnik czuje się jak najbardziej komfortowo na krześle TMS.

Paradygmat pojedynczego impulsu TMS:

Po pierwsze, urządzenie będzie musiało zostać skalibrowane dla każdej osoby, ponieważ każdy ma inną wrażliwość na pola magnetyczne generowane przez TMS. Urządzenie TMS zostanie skalibrowane, aby upewnić się, że uczestnik otrzymuje najniższą możliwą „dawkę”. W tym celu cewka TMS zostanie umieszczona na skórze głowy bezpośrednio nad obszarem mózgu odpowiedzialnym za ruchy palców, czyli specyficznym obszarem kory ruchowej zlokalizowanym w zakręcie przedśrodkowym. Cewka TMS będzie następnie dostarczać impulsy, które stopniowo narastają, aż do osiągnięcia poziomu, który powoduje drganie dłoni (szczególnie kciuka i palca wskazującego). Będzie to obserwowane wizualnie i rejestrowane ilościowo za pomocą czujników elektromiograficznych (EMG). Ilość energii potrzebna do poruszenia ręki nazywana jest „progiem motorycznym” i jest różna dla każdego. Ten „próg motoryczny” zostanie następnie użyty do kalibracji maszyny dla protokołu TMS.

Cewka TMS w kształcie ósemki będzie trzymana nad korą ruchową w optymalnej pozycji na skórze głowy, aby wywołać motoryczne potencjały wywołane (MEP) w przeciwległym pierwszym mięśniu międzykostnym grzbietowym (FDI). Poza wizualną obserwacją ruchu palca, badacze przymocują również elektrody do elektromiografii powierzchniowej (EMG) do skóry na prawym FDI. Elektrody wykryją każdą aktywność mięśni, co da dokładniejszy pomiar osobistego „progu motorycznego”. Dokładna lokalizacja, która wywołuje reakcję motoryczną w kontralateralnej BIZ, jest określana jako „gorący punkt”. Ta lokalizacja zostanie zarejestrowana przy użyciu systemu neuronawigacji TMS 3D działającego w czasie rzeczywistym (Localite TMS Navigator, Niemcy, http://www.localite.de/en/products/tms-navigator/#c572) aby zapewnić spójność testów w kolejnych próbach. Localite to pakiet oprogramowania używany w połączeniu ze sprzętem TMS. Zawiera kamerę na podczerwień do rejestrowania położenia cewki TMS względem głowy uczestnika. Pozwala to naukowcom na niezawodne umieszczenie cewki w tym samym precyzyjnym miejscu podczas całej sesji.

Spoczynkowy próg motoryczny (RMT) definiuje się jako minimalną intensywność bodźca, która wytwarza graniczny MEP (około 50 μV w 50% z 10 prób) w spoczynku. Aktywny próg motoryczny (AMT) jest ogólnie definiowany jako minimalna intensywność bodźca, która wytwarza graniczny MEP (około 200 μV w 50% z 10 prób) podczas skurczu izometrycznego badanego mięśnia. Zarówno RMT, jak i AMT zostaną wyrażone jako procent maksymalnej mocy wyjściowej stymulatora magnetycznego. Dane RMT i AMT od poszczególnych uczestników posłużą jako podstawowa miara pobudliwości, aby kierować odpowiednio intensywnością naszych kolejnych pojedynczych impulsów i powtarzalnych protokołów TMS. Zostanie to wykonane dla lewej półkuli. Naukowcy wykorzystają również algorytm PEST (Parameter Estimation Sequential Testing), aby skuteczniej zidentyfikować RMT i AMT.

Po określeniu progu motorycznego i „gorącego punktu” dla uczestnika cewka TMS zostanie umieszczona nad „gorącym punktem”, który został wcześniej zarejestrowany przez oprogramowanie Localite Navigator i ustawiona intensywność bodźca na 80% uczestników jednoznacznie zidentyfikowanych AMT . Na przykład, jeśli aktywny próg motoryczny określonej osoby zostanie ustalony na 40% maksymalnej mocy wyjściowej MagPro, wówczas intensywność urządzenia zostanie ustawiona na 32% maksymalnej mocy wyjściowej dla protokołu pojedynczego impulsu (32 równa się 80% z 40% , AMT w tym przykładzie). W tym czasie stosuje się 8 impulsów TMS (oddzielonych 6 sekundami), gdy cewka TMS jest ustalana w „gorącym punkcie”. Ten krok jest powtarzany w rosnących przyrostach (tj. 10% AMT) aż do intensywności odpowiadającej 150% AMT uczestnika. Protokół ten składa się z 64 bodźców jednopulsowych, które będą dostarczane wielokrotnie w odstępach 6 sekund. Ta procedura jest bezpieczna i zgodna ze standardowymi protokołami pojedynczego impulsu TMS, które zostały opublikowane wcześniej.

Ten protokół pojedynczego impulsu TMS zostanie wykonany dwukrotnie, zarówno przed, jak i po protokole rTMS. Każdy protokół TMS pojedynczego impulsu będzie trwał około 30 minut. Łącznie odpowiada to 128 bodźcom podczas paradygmatów „Single Pulses TMS”. W całym protokole pojedynczego impulsu uczestnicy zostaną poproszeni o dotknięcie swoich palców małego palca i kciuka, aby zapewnić subtelny dobrowolny skurcz w tle. To „ułatwi” szlak motoryczny i obniży próg intensywności stymulacji w całym protokole.

rTMS:

W protokole powtarzalnego TMS (rTMS) zastosowany zostanie wzorcowy paradygmat rTMS zwany przerywaną stymulacją wybuchem theta (iTBS). iTBS składa się z trzech dwufazowych bodźców TMS prezentowanych z częstotliwością 50 Hz, powtarzanych co 200 ms przez 2 sekundy z intensywnością 80% AMT (np. dla tego protokołu). Dlatego każdy ciąg stymulacji będzie trwał dwie sekundy (30 bodźców na ciąg) z przerwą między pociągami wynoszącą 8 s. Ten protokół rTMS składa się z 10 ciągów iTBS, w sumie 300 bodźców z cewki magnetycznej.

Podczas tego protokołu rTMS cewka zostanie umieszczona nad „gorącym punktem” lewej półkuli. Protokół rTMS zostanie wykonany tylko raz i będzie trwał około 10 minut.

Protokoły MRI:

Nastąpi to w tym samym budynku, w pomieszczeniu przylegającym do urządzenia TMS. Dla własnego bezpieczeństwa uczestnicy zostaną poproszeni o pozostawienie wszelkich metalowych przedmiotów i przedmiotów osobistych (np. portfela, telefonu, biżuterii) w poczekalni centrum MRI przed wejściem do pomieszczenia ze skanerem. Uczestnicy zostaną poproszeni o położenie się na plecach i pozostanie nieruchomo przez cały czas trwania badania MRI. Otrzymają zatyczki do uszu, które tłumią hałas i chronią słuch podczas przebywania w skanerze. Pasek na rzep można również umieścić na czole, a poduszki z pianki zostaną dostarczone, aby zminimalizować ruchy głowy podczas skanowania. Dołożymy wszelkich starań, aby zapewnić uczestnikom jak największy komfort podczas skanowania, w tym koce zapewniające ciepło i poduszki pod kolana/plecy, aby zmniejszyć stres związany z leżeniem na plecach.

Uczestnikom zostanie przypomniane przed skanowaniem, że ich udział jest dobrowolny i że w każdej chwili mogą zasygnalizować przerwanie skanowania. W skanerze znajduje się system interkomu, który umożliwi uczestnikom komunikację z technikiem MRI i członkiem (członkami) zespołu badawczego przez cały czas przebywania w skanerze. Dodatkowo będą mogli natychmiast przerwać badanie w dowolnym momencie, ściskając kulkę sygnałową umieszczoną w dłoni, co zaalarmuje technika MRI w sterowni lub podnosząc nogi, co będzie widoczne dla eksperymentatora w sterowni.

Co ważne, w naszym zbiorze danych MRI nie zostanie użyty żaden środek kontrastowy. Ponadto wszystkie dane MRI będą pozyskiwane w „stanie spoczynku”, więc uczestnicy zostaną po prostu poproszeni o zrelaksowanie się i pozostawanie nieruchomo przez czas trwania skanowania.

Mówiąc dokładniej, dane MRI będą gromadzone na magnesie Siemens Skyra 3.0 Tesla wyposażonym w 32-kanałową cewkę nagłowną. Całkowity czas skanowania wyniesie 30 minut. Kolejność sekwencji będzie następująca: skan lokalizatora (62 sekundy), strukturalny MPRAGE (9 minut), skan fMRI w stanie spoczynku (5 minut) i skan obrazowania tensora dyfuzji (DTI) (14 minut). Lokalizator zostanie pobrany przy użyciu następujących parametrów - kierunek: gorszy do nadrzędnego, TR= 8,6 ms, czas echa (TE)=4,0 ms, kąt odwrócenia = 20, FOV = 250 mm, 5 warstw, grubość warstwy 7 mm. Obrazy strukturalne o wysokiej rozdzielczości zostaną uzyskane przy użyciu sekwencji przypominania zepsutego gradientu T1-ważonego (SPGR) (TR= 22 ms; TE= 5,4 ms; FOV= 25,6 cm; kąt odwrócenia = 20°; rozmiar matrycy w płaszczyźnie = 256 x 256 ; grubość plastra = 1 mm; liczba plasterków = 172). Dane fMRI stanu spoczynkowego całego mózgu zostaną zebrane przy użyciu obrazowania echoplanarnego (EPI) zależnego od T2* (TR= 1,5 s; TE= 30 ms; FOV= 25,6 cm; kąt odwrócenia= 90°; rozmiar matrycy w płaszczyźnie= 64 x 64; grubość warstwy = 4 mm), dając w wyniku dane funkcjonalne z 39 warstw osiowych z izotropowymi wokselami 4 mm3. Podczas skanowania fMRI w stanie spoczynku uczestnicy skupiają się na celowniku z otwartymi oczami. Obrazy DTI zostaną uzyskane w płaszczyźnie osiowej przy użyciu równoległych sekwencji EPI uczulonych na dyfuzję, które mierzą dyfuzję w 86 kierunkach (współczynnik b = 1000 s/mm2; TR = 7 s; TE = 82,5 ms; pole widzenia (FOV) = 25,6 cm , macierz = 128 x 128, plastry przeplatane 2 mm; równoległy współczynnik przyspieszenia = 2).

Dane fMRI w stanie spoczynku zostaną wstępnie przetworzone przy użyciu potoku (http://wiki.biac.duke.edu/biac:analysis:resting_pipeline) i narzędzia w Oxford Center for Functional MRI of the Brain Software Library (FSL wersja 5.0.5, www.fmrib.ox.ac.uk/fsl). Etapy przetwarzania wstępnego obejmują korekcję czasu przekroju, MCFLIRT do korekcji ruchu, narzędzie do ekstrakcji mózgu (BET) do ekstrakcji mózgu i FLIRT do normalizacji do szablonu MNI 152 T1 (Montreal Neurological Institute, Montreal, Kanada). Badacze dokonają regresji sygnału z istoty białej i płynu mózgowo-rdzeniowego na podstawie masek utworzonych w FSL FAST i wygładzą dane za pomocą jądra 5 mm przy użyciu FSL SUSAN. Czasowe filtrowanie pasmowo-przepustowe ogranicza dane do częstotliwości w paśmie od 0,001 do 0,08 Hz. Zgodnie z zaleceniem Power i wsp., badacze przeprowadzą szorowanie ruchu przy użyciu progu przesunięcia w klatce wynoszącego 0,5 i progu wariancji przebiegu czasowego (DVARS) wynoszącego 0,5%

Miara behawioralna: zadanie motoryczne

Naukowcy będą używać iPadów wyposażonych w cyfrowe oprogramowanie komputerowe Cantab (Cambridge Cognition Ltd., Anglia) do naszych pomiarów behawioralnych. Cantab to oparte na chmurze, skomputeryzowane oprogramowanie do oceny poznawczej, które jest dobrze sprawdzonym narzędziem do badań akademickich. Badacze zamierzają wykorzystać 1) Zadanie przesiewowe motoryki, 2) Test uczenia się sparowanych współpracowników (na tablecie) do pomiaru odpowiednio funkcji motorycznych i pamięci.

Zadanie kontroli motorycznej wymaga od uczestników dotknięcia migającego krzyżyka, który jest pokazany w różnych miejscach na ekranie. Miary wyników obejmują dokładność wskazywania i czas reakcji.