Spektralkorrelationskoefficient-baserad TMS

Den terapeutiska fördelen med repetitiv transkraniell magnetisk stimulering (rTMS) för behandling av Major Depressive Disorder (MDD) tros bero på engagemang av hjärnfunktionella nätverk (FN). Engagemang är beroende av en interaktion mellan rTMS-stimuleringsfrekvensen och den föredragna oscillerande frekvensen för målnätverket för den individen. Vi rapporterar här om en ny metod för att förhöra behandlingsmålet för vänster dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) för att identifiera den optimala frekvensen för engagemang av det frontoparietala kontrollnätverket (FCN) för varje individ. 23 försökspersoner med MDD stimulerades med 40 puls rTMS-tåg vid frekvenser varierande från 3-17 Hz i steg om 0,2 Hz, plus en separat intermittent theta burst (iTBS) stimulering, för totalt 70 frekvensförfrågningar. FN-engagemang bedömdes med hjälp av kontinuerliga TMS-EEG-upptagningar med hög densitet och mätning av förändringen i tätheten av den spektrala korrelationskoefficienten (SCC) mellan vänster DLPFC och andra hjärnområden efter varje förhör. Alla försökspersoner hade ett eller flera frekvensband som visade höga SCC-värden över flera FN:er, oavsett frekvensen av förhör. De försökspersoner som visade kliniskt svar på 10 Hz rTMS visade ökningar i SCCD över FCN-anslutningar över som svar på 10 Hz förhör, men inte som svar på förfrågningar i andra band. Det fanns ett starkt samband mellan ökningen av SCCD i FCN och graden av förbättring av depressiva symtom efter både 2 och 6 veckors behandling. Dessa fynd tyder på att SCC-densitet kan vara användbar för att identifiera rTMS-stimuleringsfrekvenser som är associerade med terapeutisk nytta vid MDD. Denna studie kommer att undersöka genomförbarheten genom att använda dessa resultat för att avgöra om SCC-bestämd rTMS-behandling kan gynna patienter med egentlig depression.

INTRODUKTION OCH MOTIVERING

Repetitiv transkraniell magnetisk stimulering (rTMS) har rapporterats lindra symtom på major depressiv sjukdom (MDD) när den administreras vid ett antal olika stimuleringsfrekvenser: 1, 5, 10, 15, 18 och 50 Hz (theta burst stimulation, eller TBS) ) alla har rapporterat ge klinisk nytta. Det är svårt att jämföra effektiviteten av dessa olika stimuleringsfrekvenser på grund av skillnader i studiedesign och begränsningar av provstorlek, men det finns betydande bevis på effektivitet för var och en av dessa frekvenser när de tillämpas på ett eller flera stimuleringsmål.1 Det har inte gjorts direkta studier för att jämföra olika stimuleringsfrekvenser hos enskilda individer för att avgöra om individer har liknande kliniska svar på mer än en stimuleringsfrekvens.

En egenskap som delas av alla frekvenser av rTMS är att medan stimulering pågår synkroniseras både neuronal spikning och pågående oscillationer med stimuleringsfrekvensen (Fröhlich och McCormick, 2010; Thut et al., 2011). Denna modulering av cerebral oscillerande aktivitet antas ligga bakom de terapeutiska effekterna av rTMS för MDD. , Entrainment of brain oscillations har visat sig modifiera hjärnans aktivitet i en mängd olika funktionella nätverk (FN), med förändringar i oscillationer associerade med förändringar i uppgiftsutförande, lokal oscillerande aktivitet, anslutningsmönster och i fallet med motoriska nätverk, kortikospinal koppling.

Olika frekvenser av rTMS-stimulering har distinkta effekter på FN-engagemang och uppgiftsutförande. Dessa differentiella effekter överensstämmer med det faktum att FN:er har en eller flera föredragna resonansfrekvenser som förmedlar anslutning både inom och över nätverk (Hacker et al., 2017, , , Effekterna av rTMS-stimulering beror på interaktionen mellan stimuleringsfrekvensen och den pågående oscillerande aktiviteten hos mål-FN:erna: det oscillerande mönstret i den specifika hjärnregion som stimuleras (mätt med elektroencefalografi [EEG]) är en viktig bestämningsfaktor för rTMS-engagemang med associerade FN(s)3, och effekterna på nätverkets prestanda.

Det frontoparietala kontrollnätverket (FCN) är av särskilt intresse vid MDD eftersom det är dysreglerat vid MDD, med graden av dysfunktion relaterad till svårighetsgraden av depressiva symtom. Det mest använda neuroanatomiska rTMS-stimuleringsmålet är vänster dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), som är ett kritiskt nav i FCN. Dessutom spelar FCN en avgörande roll genom att integrera funktionen hos flera andra FN:er. , , 10 Hz är den vanligaste rTMS-stimuleringen som används för att stimulera det vänstra DLPFC-målet, men det har inte fastställts att denna frekvens är optimal för att koppla in FCN. Flera stimuleringsfrekvenser har olika effekter på FCN, vilket ändrar FCN-interaktioner med standardlägesnätverk (DMN) från exciterande till hämmande. Detta fynd stämmer överens med det faktum att justering av stimuleringsfrekvensen påverkar vilka noder inom en enda FN som är engagerade, , i vilken utsträckning rTMS-stimulering engagerar lokal vs. avlägsna nätverksmoduler, och ändrar selektivt engagemanget mellan en FN och en ansluten hjärnregion. FCN-anslutning är känd för att förmedlas av flera frekvenser från 2 Hz (deltaband) till 20 Hz (betaband) (Johnson et al., 2019; Lopez et al., 2019; Cooper et al., 2015; 18).

Den aktuella studien utfördes för att fastställa om det var möjligt att identifiera differentiella effekter av rTMS-behandlingsfrekvens på ingrepp av FCN under rTMS-behandling av MDD, genom undersökning av frekvenskoppling över ett brett spektrum av stimuleringsfrekvenser inom FCN. Det rapporterades nyligen att förändringar i hela hjärnans spektrala anslutningar i frekvensbandet (alfaspektral korrelation, eller SC) från före till efter den första sessionen med 10 Hz rTMS applicerad på vänster DLPFC förutspådde utfallet från en kur med 30 rTMS-behandlingar . I den aktuella studien undersökte vi spektral korrelation över ett brett frekvensspektrum efter en serie rTMS "förhör" från 3 Hz till TBS. Detta gjorde det möjligt för oss att generera en spektral korrelationskoefficient (SCC) över detta frekvensspektrum och bestämma vilka stimuleringsfrekvenser som skulle leda till ökad SCC inom FCN. Denna studie antar att: 1) varje individs frekvenssvarsmönster skulle visa en eller flera distinkta stimuleringsfrekvenser som genererade ökad SCC; 2) dessa frekvenssvarsmönster skulle skilja sig mellan försökspersoner, men vara mycket reproducerbara inom försökspersoner under en rTMS-behandling; och 3) de försökspersoner med koncentrerad ökning av FCN SCC (ökad SCC-densitet) efter 10 Hz förhör skulle vara mer benägna att visa kliniskt svar på 10 Hz rTMS-behandling.

STUDIENS MÅL

Det primära syftet med denna studie är att visa genomförbarheten av rTMS-behandling för depression vid andra stimuleringsfrekvenser än 10 Hz. Mål:

1. att bestämma om varje individs frekvenssvarsmönster visar en eller flera distinkta stimuleringsfrekvenser som genererade ökad SCC;
2. för att avgöra om dessa frekvenssvarsmönster skiljer sig mellan ämnen; och,
3. Att samla in pilotdata för en extramural finansieringsansökan för att undersöka effektiviteten av rTMS-behandling vid individualiserade stimuleringsfrekvenser som ett alternativ till standardprotokollet 10 Hz.