Mapping TMS immediate effects by concurrent TMS/fMRI using a dedicated high-sensitivity coil array

Martin Tik et al.

¹Abteilung MR-Physik, Zentrum für Medizinische Physik und Biomedizinische Technik, Medizinische Universität Wien, Wien, Österreich

Kurzfassung

In dieser Arbeit zeigen wir die Machbarkeit eines neuen simultanen TMS/fMRT -Aufbaus mit zwei mehrkanaligen Empfangsarrays, der die Erfassung von fMRT-Daten aus dem gesamten Gehirn während der Hirnstimulation ermöglicht. Stimulation mit 1 beziehungsweise 10 Hz führt zu unterschiedlichen Veränderungen des BOLD-Signals. Außerdem berichten wir stärkere TMS-bedingte Netzwerkeffekte bei höherer Stimulationsintensität. Diese Machbarkeitsprüfung bildet den Rahmen für weitere Studien zur Modulation komplexer Hirnnetzwerke durch TMS kortikaler Regionen.

Einleitung

Obwohl transkranielle Magnetstimulation (TMS) bereits intensiv erforscht wurde und als klinische Intervention in bestimmten Anwendungen von der FDA zugelassen ist, sind die Effekte oberflächlicher kortikaler TMS auf lokale und gehirnweite physiologische Prozesse noch unzureichend verstanden. Erste Einblicke in direkte kortikale TMS-Effekte gewannen wir durch die Entwicklung eines speziellen mehrkanaligen HF-Empfangsarrays für simultane TMS/fMRT¹. Der Aufbau bestand aus einer ultraflachen 7-Kanal-HF-Spule und einer darüber befestigten MR-kompatiblen TMS-Spule. Er ermöglichte hochauflösende Bildgebung und ungehinderte simultane TMS am primären motorischen Kortex². Verglichen mit einem konventionellen Aufbau mit TMS-Spule innerhalb einer Birdcage-Spule verbesserte unser Aufbau das Signal-Rausch-Verhältnis in der Zieltiefe von 3 cm um bis zu den Faktor 5 und ermöglichte parallele Bildgebung. Damit wurden detailliertere und schnellere Bildaufnahmen möglich, wie zuvor in einer Stimulationsstudie am motorischen Kortex gezeigt².

Mit nur einem HF-Spulenarray ist die Datenerfassung jedoch auf Gehirnbereiche nahe der Spule beschränkt. Entsprechend bleibt auch die Kartierung von Stimulationseffekten auf nahe Regionen begrenzt. Für komplexere Fragen wie TMS-bedingte Netzwerkmodulation stimulierten wir in dieser Studie den linken DLPFC und verwendeten ein zweites 7-Kanal-HF-Array auf der gegenüberliegenden Seite. Mit diesem Aufbau, schneller und präziser Bildgebung sowie Neuronavigation zeigen wir akute lokale und Netzwerkeffekte der TMS über dem linken DLPFC.

Methoden

Interleaved TMS/fMRT — Aufbau der simultanen TMS/fMRT. Zur präzisen Neuronavigation und Bestimmung der motorischen Schwelle wurden anatomische und funktionelle Bilder während einer Finger-Tapping-Aufgabe mit einer 32-Kanal-HF-Spule aufgenommen. Sie dienten zur Lokalisation von motorischem Kortex und linkem DLPFC. Ein MR-kompatibles Neuronavigationssystem (Brainsight) stellte die genaue Spulenposition am DLPFC-Ziel sicher (−42, 28, 21; aus T1-Segmentierung rücknormalisierte ROI). Simultane TMS/fMRT und eine T1-gewichtete Aufnahme erfolgten mit der speziellen HF-Spule. Ein eigenes MATLAB-Skript steuerte die TMS-Pulse relativ zu den MR-Aufnahmetriggern. Das Protokoll umfasste jeweils fünf TMS-Blöcke bei 80, 90, 100 und 110 % der individuellen motorischen Schwelle sowie 1 und 10 Hz rTMS.

Die Studie wurde an einem 3-T-TIM-Trio-Scanner (Siemens, Erlangen) durchgeführt. Das TMS-System bestand aus einem MagProX100-Stimulator und einer MRi-B91-MR-kompatiblen TMS-Spule (MagVenture, Farum, Dänemark). Für räumlich präzise Stimulation verwendeten wir Neuronavigation und zusätzliche, in Lokalizer-Aufnahmen sichtbare räumliche Marker an der HF-Spule. So ließ sich die Spulenposition während der gesamten Messung nachvollziehen.

Fünf rechtshändige Teilnehmerinnen (Alter: 24,9 ± 3,2 Jahre) nahmen am Experiment teil. Anatomische Bilder wurden mit einer MPRAGE-Sequenz aufgenommen (TR/TE/TI = 2300/4,21/900 ms, Flipwinkel 9°, 160 Schichten, Schichtdicke 1,25 mm). Funktionelle Bilder wurden mit EPI bei TR/TE = 1000/33 ms, 28 Schichten und 1,5 × 1,5 × 3 mm³ erfasst. Abbildung 1 zeigt den Versuchsaufbau. Die fMRT-Analyse erfolgte mit SPM12. Die Designmatrix enthielt vier Regressoren für die unterschiedlichen Stimulationsintensitäten der 10-Hz-rTMS über dem linken DLPFC.

Ergebnisse

Derneue Aufbau ermöglichte eine hochauflösende Abdeckung des gesamten Gehirns mit ausreichender Empfindlichkeit, um akute Effekte der TMS über dem DLPFC auf Einzelpersonenebene sichtbar zu machen. Sowohl 1-Hz- als auch 10-Hz-Stimulation führten zu BOLD-Veränderungen am Stimulationsort und in anderen Bereichen des DLPFC-Netzwerks.

Die mit 10 und 1 Hz ausgelösten Reaktionen überlappten lokal, zeigten aber auch frequenzabhängige Aktivität, etwa im Nucleus accumbens bei 1 Hz (siehe Abbildungen 2 und 3).

Aktivierungsänderungen bei 1-Hz-TMS des DLPFC und 110 % der motorischen Schwelle (p < 0,05, clusterweise FWE-korrigiert). Nach 1-Hz-rTMS werden Aktivierungen am Stimulationsort und in weiteren Regionen, insbesondere im Striatum, sichtbar. Die stärkste Aktivität lag im kontralateralen DLPFC. Kontinuierliche EPIs mit TR = 1 s wurden mit TMS-Pulsen in kurzen Aufnahmepausen kombiniert. Auf 10 s mit 1-Hz-TMS folgten jeweils 30 s Baseline.

10-Hz-TMS des DLPFC bei 110 % der motorischen Schwelle (p < 0,05, clusterweise FWE-korrigiert). Die stärkste Aktivität lag nahe dem Stimulationsziel, aber auch im kontralateralen DLPFC und im inferioren Parietallappen. Die Darstellung posteriorer Regionen zeigt die Abdeckung des gesamten Gehirns mit zwei HF-Spulen. Kontinuierliche EPIs mit TR = 1 s wurden mit TMS-Pulsen in kurzen Aufnahmepausen kombiniert. Die 10-Hz-Pulse wurden in Dreiergruppen abgegeben, jeweils im Wechsel mit 30 s Baseline.

Darüber hinaus führte TMS zu intensitätsabhängigen lokalen und entfernten Aktivierungsänderungen. Das stimulierte Ziel im linken DLPFC und sein kontralaterales Homolog zeigten proportional intensitätsabhängige Veränderungen; im ACC trat ein komplexeres Reaktionsmuster auf (Abbildung 4).

Intensitätsabhängige Effekte der DLPFC-TMS. Dargestellt sind TMS-induzierte Aktivierungsänderungen (F-Kontrast, p < 0,05, FWE-korrigiert über das gesamte Gehirn) und Kontrastschätzer für 80, 90, 100 und 110 % der zuvor bestimmten individuellen motorischen Schwelle. Stimulationsziel im linken DLPFC (grün) und kontralateraler DLPFC zeigen vergleichbare intensitätsabhängige Veränderungen, die auf eine starke funktionelle Verbindung hindeuten.

Diskussion

Hier erweitern wir einen zuvor beschriebenen TMS/fMRT-Aufbau mit einem einzelnen Array auf die Abdeckung des gesamten Gehirns. Zwei ultraflache 7-Kanal-HF-Spulen ermöglichen simultane TMS/fMRT mit hoher räumlicher Auflösung. Die gehirnweite Bildaufnahme während der DLPFC-Stimulation erfasst sowohl akute Effekte über dem linken DLPFC als auch Netzwerkeffekte auf individueller Ebene.

Wir zeigen zudem dosisabhängige neuronale Reaktionen nicht nur unterhalb des Stimulationsortes, sondern auch im kontralateralen DLPFC sowie mögliche vermittelnde Reaktionen im ACC.

Schlussfolgerung

Die mit diesem TMS/fMRT-Aufbau demonstrierte Prüfung kausaler Netzwerkhypothesen ermöglicht die Untersuchung von Hirnstimulation auf individueller Ebene und bietet einen Ausgangspunkt für die Forschung zur Präzisionsmedizin bei neuropsychiatrischen Erkrankungen.

Danksagung

Wir danken Tina Henneken und Anna-Lisa Schuler für technische Unterstützung und Kommentare.

Literatur

1 Navarro de Lara L et al. A novel coil array for combined TMS/fMRI experiments at 3 T. Magn Reson Med. 2015;74(5):1492-1501.

2 Navarro di Lara L, Tik M, Woletz M, et al. Boosting the sensitivity of concurrent TMS/fMRI in motor cortex using a dedicated MR coil array. Honolulu, USA: 21th Meeting of the Organization for Human Brain Mapping; 2015.