Разработка методов неинвазивной стимуляции мозга

Цели

Неинвазивная стимуляция головного мозга (NIBS) с использованием магнитных и электрических средств с использованием транскраниальной магнитной стимуляции (TMS) и транскраниальной стимуляции постоянным и переменным током (tDCS и tACS соответственно) оказалась универсальным инструментом в исследовании корковой организации и функционируют и продемонстрировали большой потенциал в качестве средства диагностики и лечения психических и неврологических заболеваний. К сожалению, это исследование было замедлено из-за двух фундаментальных проблем, которые напрямую влияют на полезность NIBS. Во-первых, пространство параметров, используемых для создания NIBS, чрезвычайно велико и практически не изучено. К таким параметрам относятся интенсивность стимуляции, форма и продолжительность пульсовой волны, количество и время импульсов (которые, в свою очередь, могут включать серии импульсов: их частота, продолжительность, количество и интервалы между сериями), форма создаваемого магнитного или электрического поля. для ТМС - тип используемой катушки, ее положение и ориентация (с тремя степенями свободы для катушки в виде восьмерки), а для tDCS и tACS - количество, размеры и расположение электродов), а также для создания длинных длительные эффекты, количество и время сеансов NIBS. Было показано, что различия - часто даже очень небольшие различия - в конкретных значениях любого из этих параметров оказывают значительное влияние на размер и продолжительность эффектов NIBS, и все же мало что известно. Параметрическое исследование в полевых условиях применялось лишь ограниченно, и в основном только в моторной коре. Во-вторых, взаимодействие любого набора параметров NIBS с любым отдельным мозгом плохо изучено, и это привело к непредсказуемой эффективности и большой индивидуальной вариабельности в исследованиях NIBS. Человеческий мозг всегда находится в сложном, динамичном состоянии изменений, и становится все более очевидным, что состояние области коры и связанных с ней сетевых соединений при применении NIBS сильно влияет на его эффекты. состояние стимулируемой области коры играет большую роль в определении того, какой именно эффект NIBS возникает. Незнание конкретного состояния мозга при его стимуляции привело к широкой изменчивости и непредсказуемости эффектов NIBS. Таким образом, хотя изменчивое состояние целевой области у каждого субъекта, вероятно, является важным источником большого количества межиндивидуальной изменчивости, обнаруженной в исследованиях ТМС и tDCS, до сих пор было проведено мало исследований. Это создает огромные проблемы для эффективности терапевтических вмешательств NIBS на индивидуальной основе и на основе прецизионной медицины, для разработки и проведения исследований стимуляции мозга, а также для повторной проверки надежности используемых нейрофизиологических и поведенческих показателей (и их оптимизации).

Целью этого протокола технического развития является устранение этих двух фундаментальных недостатков в исследованиях NIBS. Для этого мы хотели бы 1) изучить в безопасных пределах, установленных международным консенсусом, влияние различных наборов параметров NIBS-стимуляции на поведенческие и корковые функции, измеряемые поведенческими показателями, электроэнцефалографией (ЭЭГ), электромиографией (ЭМГ). ), движения глаз и МРТ. и 2) разработать методологии и аналитические методы, лежащие в основе этих поведенческих и физиологических показателей, чтобы повысить их полезность при интерпретации эффектов NIBS. Кроме того, этот протокол будет использоваться для обучения новых стипендиатов, поступающих в отделение неинвазивной нейромодуляции (NNU), использованию методов ТМС. NNU исключительно хорошо расположен как с точки зрения опыта, так и ресурсов для выполнения этого протокола. Мы ожидаем, что информация, полученная в результате этих исследований, позволит нам 1) оптимизировать эффекты NIBS в диапазоне параметров стимуляции и состояний мозга, у отдельных субъектов и с точки зрения надежности повторных тестов, 2) собрать пилотные данные на здоровых добровольцах, чтобы установить осуществимость. и для анализа мощности будущих протоколов, основанных на гипотезах, ориентированных на пациента, и 3) для обучения новых стипендиатов использованию этих различных методов.

Мы специально предлагаем начать этот протокол разработки с пяти подисследований, которые охватывают области NIBS, требующие дальнейшего исследования, изучения интенсивности стимула, времени и частоты стимула, таргетинга стимула и методов контроля состояния мозга. Эти исследования обеспечат полезный начальный набег на пространство параметров NIBS и, кроме того, помогут разработать средства для более эффективного дозирования ТМС вне моторной коры и уменьшения вариабельности эффектов ТМС, для тестирования новых методов нацеливания на ТМС, для разработки полезности ЭЭГ. в ТМС, а также понять взаимосвязь времени ТМС и эндогенных колебаний.

Протокол состоит из следующих подисследований:

Подисследование 1 (Использование потенциала, вызванного ТМС (ТЭП), для дозирования ТМС вне моторной коры)

Это исследование направлено на то, чтобы начать изучение возможности использования ЭЭГ для оценки реакции на одиночные импульсы ТМС в различных областях коры головного мозга в качестве нового метода индивидуализации дозы ТМС для конкретного участка. Локальный корковый ответ представляет собой вызванную волну нейронной активности в непосредственной близости от стимулирующей катушки и может обеспечить полезную меру дозирования за пределами моторной коры. На этом первом этапе в двух корковых зонах (моторная кора и затылочная зрительная кора) мы исследуем взаимосвязь вызванных потенциалов ТМС с функциональными вызванными реакциями (МВП из моторной коры, зрительная дискриминация в зрительной коре) и с ЖИРНЫМ ответом фМРТ на ТМС в разные периоды времени. интенсивности применялись к обоим участкам коры.

Подисследование 2 (Значение моделирования электрического поля при локализации ТМС)

Вопрос исследования для этого подисследования заключается в следующем: повышает ли включение моделирования электрического поля в таргетинг ТМС эффективность ТМС?

Общая цель состоит в том, чтобы сравнить метод размещения катушки, управляемый электрическим полем, с (f) подходами к нацеливанию под контролем МРТ и скальпа NIBS. Включение последнего условия дополнительно позволяет вспомогательному исследованию обратиться к единственному исследованию, в котором сравнивалось нацеливание на основе скальпа и фМРТ (Sack et al., 2009). Сак и др. исследование было разработано как межгрупповое с использованием очень малых значений N (из 5): поле NIBS значительно выиграло бы от повторения с большей группой и дизайном внутри субъектов. В этом первом подисследовании мы проверим эффективность трех подходов к моделированию электронного поля для нацеливания на ТМС с намерением использовать лучший метод в последующем подисследовании для сравнения методов нацеливания на ТМС.

Подисследование 3 (Контроль текущего состояния коры во время NIBS с нейробиоуправлением)

Вопрос исследования для этого подисследования звучит следующим образом: приводит ли контроль состояний мозга с помощью нейробиоуправления к большей внутри- и межиндивидуальной изменчивости ответов на ТМС?

Это исследование направлено на изучение использования нейробиоуправления для контроля состояния мозга с использованием ЭЭГ для оценки реакции коры на одиночные импульсы ТМС, в то время как субъекты контролируют электрофизиологическое состояние своего мозга.

Подисследование 4 (Использование cTMS ЭЭГ для понимания механизма и оптимизации стимуляции тета-всплесками (TBS))

Вопрос исследования для этого подисследования заключается в следующем: каково влияние TBS на ЭМГ при различных формах импульсов TMS?

В этом подисследовании мы стремимся параметрически изучить влияние межпробного интервала на ответ TBS и использовать гибкий контроль параметров пульса с помощью устройства cTMS (Rogue Research Inc., Канада) для изучения эффектов TBS.

Подисследование 5 (с использованием ТМС в качестве зонда лобно-стриарной сети, ключевого контура, участвующего в обработке вознаграждения)

Мы пытаемся установить, может ли ТМС дозозависимым образом достичь целевой подкорковой области транссинаптически, которая слишком удалена для эффективной стимуляции напрямую. В частности, мы проверим, приводит ли ТМС, доставляемая в дорсолатеральную префронтальную кору (DLPFC) или пре-дополнительную моторную область (pre-SMA), к изменениям в активации полосатого тела дозозависимым образом. Эта гипотеза будет проверена с помощью процедуры визуализации возмущений чередования ТМС/фМРТ, т. е. когда участники получают ТМС как в состоянии покоя, так и в фМРТ на основе задач.

Исследуемая популяция

До 180 здоровых добровольцев в возрасте от 18 лет и старше. Число представляет собой сумму запрошенных участников (N = 25) в 4 подисследованиях с дополнительными 25 с учетом ожидаемого уровня отсева 20%.

Дизайн

Здоровые взрослые добровольцы будут участвовать, как правило, с использованием дизайна повторных измерений, учитывая цели изучения параметрических эффектов NIBS и установления надежности этих эффектов, хотя в некоторых случаях может потребоваться дизайн между группами (например, когда речь идет об обучении). Эксперименты будут проводиться в два этапа: этап I включает скрининг и базовые процедуры, а этап II — экспериментальные сеансы NIBS. Этап I будет включать в себя согласие и скрининг. Как правило, он включает сеанс МРТ из-за необходимости использования по крайней мере структурной МРТ для нейронавигации в целевом NIBS. Фаза I может также включать введение и обучение некоторым поведенческим задачам или задачам, а также базовые измерения, ЭЭГ и ЭМГ. , по мере необходимости. На этапе II экспериментальные сеансы NIBS будут проводиться с каждым участником. Количество сеансов будет варьироваться, обычно от 1 до 4, продолжительностью от 1 до 3 часов каждое, в зависимости от исследовательского вопроса. NIBS можно назначать в сочетании с ЭЭГ, ЭМГ и/или фМРТ либо одновременно, либо до и после процедуры. Параметры стимуляции NIBS никогда не превышают безопасных диапазонов, установленных в международных согласованных отчетах о безопасности. Сравнение экспериментального контроля может быть между ложным и активным NIBS и/или, в последнем случае, NIBS в разных местах скальпа или в разное время, или, в случае параметрических исследований, с разными значениями рассматриваемого параметра.

Опыт в области NIBS за последние три десятилетия не свидетельствует о том, что существует верхний предел количества сеансов NIBS, в которых человек может безопасно участвовать. Этот вывод в первую очередь основан на многих тысячах людей, получавших ТМС-терапию депрессии в соответствии с одобренной FDA маркировкой, при которой шесть недель ежедневного лечения в будние дни (30 сеансов, включающих 3000 импульсов рТМС за сеанс) не проводились. сообщалось о новых неожиданных нежелательных явлениях. Таким образом, количество участников будет ограничено только двумя способами: во-первых, испытуемые участвуют в одном экспериментальном сеансе в день. Один сеанс, который обычно длится от 1 до 3 часов, может длиться не более 8 часов, чтобы обеспечить начальную парадигму тестирования, за которой следуют повторные тесты или выполнение других компонентов того же субисследования позже в тот же день с соответствующими перерывами на отдых и обед. во время длительных сеансов. Во-вторых, испытуемые могут одновременно участвовать только в одном субисследовании.

Критерии оценки:

Подисследование 1: амплитуды и задержки MEP и TEP; фМРТ BOLD изменения; порог визуальной дискриминации

Подисследование 2: изменение поведенческих характеристик до и после поста (RT и точность) и теменной реакции фМРТ BOLD в различных условиях.

Подисследование 3: Индивидуальные и групповые усредненные амплитуды и латентность ТЭП.

Подисследование 4: Амплитуда и латентность MEP.

Подисследование 5: изменение ответа фМРТ BOLD в стриатуме в результате поверхностной кортикальной ТМС.