Comparison of established TMS targeting approaches with MRI-guided TMS localiser based on emotion discrimination task

Prinčič, Matic (avtor), Windischberger, Christian (mentor)

Background: Although transcranial magnetic stimulation (TMS) has shown promising therapeutic effects in various disorders, treatment responses still vary considerably. This could be due to the use of suboptimal target definition like the various gold-standard approaches including 5cm, EEG-F3 and neuronavigation methods based on structural landmarks. Objective/Hypothesis: Functional MRI localisers using emotion-processing paradigms could be advantageous as they reveal dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) activation clusters recruited in an individual. In this thesis, we compared conventional targeting approaches with regard to the spatial distance to the individual activation peaks obtained in fMRI. Methods: Fifteen healthy volunteers (7f/8m, mean age: 25.33 ± 2.9 years) participated in the study and performed facial emotion discrimination tasks (EDT). Euclidean distances to seven commonly-used DLPFC targets were calculated for each subject‘s EDT activation peak within the group-level DLPFC activation cluster. In addition, twenty-eight patients diagnosed with acute MDD (16f/12m, mean age: 28.7 ± 7.1) were examined for reproducibility of EDT paradigm and compared versus thirty-three healthy volunteers (15f/18m, mean age: 27.5 ± 6.8 years). The three most prominent targeting approaches were examined using concurrent TMS/fMRI setup on three healthy volunteers (2f/1m, mean age: 25.7 ± 0.3). Results: In line with previous findings, EDT processing caused statistically significant activation of bilateral DLPFC. Group-averaged distances of the different target definition approaches to the EDT maxima ranged from 16 to 40.59 mm. Targeting approaches that are generally considered less effective (such as the 5cm method and EEG-F3 targeting) showed the highest spatial distances to individual functional activation peaks. While functional localiser maxima varied considerably across the group, individual maxima showed high spatial reproducibility with 3.4mm and 5.4mm mean intra-session and inter-session distance, respectively. Comparable variability was found in the clinical sample. In addition, we show herein successful TMS stimulation using concurrent TMS/fMRI in three subjects. Decreased activity of anterior cingulate cortex (ACC), an important region in major depressive disorder, was found only with the functional localiser targeting approach. Conclusion(s): We conclude that EDT may be used for obtaining single-subject activation clusters in DLPFC. Based on this, individually localised DLPFC with fMRI show considerable inter-subject variability and therefore using the same target for all subjects is suboptimal. We showed high reliability in patients and controls. Due to the functional specificity of EDT, we expect higher treatment response in comparison to previously used localisers and therefore suggest future usage of functional localisers for determining stimulation targets.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: TMS
• Vrsta gradiva: Magistrsko delo/naloga
• Tipologija: 2.09 - Magistrsko delo
• Organizacija: PEF - Pedagoška fakulteta
• Leto izida: 2019
• PID: 20.500.12556/RUL-113219
• COBISS.SI-ID: 12736585
• Datum objave v RUL: 06.01.2020

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik
• Naslov: Primerjava uveljavljenih in najpogosteje uporabljenih pristopov določanja TMS tarče s fMRI-vodenim pristopom na osnovi zmožnosti razločevanja emocij

Izvleček

Uvod: Kljub temu da je v zadnjem času uporaba transkranialne magnetne stimulacije (TMS) prikazala obetajoče terapevtske učinke, odziv na TMS terapijo še vedno variira. Razlogi za variacijo ležijo v številnih parametrih stimulacije, med katerimi eno pomembnejših vlog igra definicija tarče. Med najbolj pogosto uporabljene pristope za definicijo lokacije dorsolateralnega prefrontalnega korteksa (DLPFC) štejemo metodo 5ih cm, izbiro F3 elektrode v EEG sistemu in pristope z uporabo nevronavigacije. Cilji/hipoteze: Funkcionalno določanje individualne TMS tarče s pomočjo emocionalnih paradigem nakazuje prednosti pred ostalimi pristopi, saj uporabljene paradigme lahko prikažejo aktivacijske mape povezane s procesiranjem emocij. Znotraj te naloge bodo konvencionalni pristopi določanja tarč primerjani s funkcionalno določenimi individualnimi lokacijami pridobljenimi s pomočjo funkcionalne magnetne resonance (fMRI). Metode: Petnajst zdravih prostovoljcev (7ž/8m, povprečna starost: 25.33 ± 2.9) je uspešno izvedlo nalogo razločevanja emocij (EDT) med funkcionalno magnetno resonančnim slikanjem (fMRI). V skladu z zastavljenimi hipotezami so bile izračunane Evklidove razdalje med sedmimi najbolj pogosto uporabljenimi DLPFC lokacijami in individualnimi maksimumi EDT aktivacij znotraj DLPFC maske (definirane na podlagi skupinske aktivacije). Dodatno je bilo vključenih še 28 pacientov diagnosticiranih z veliko depresivno motnjo (15ž/18m, povprečna starost: 27.5 ± 6.8). Tri najbolj prominentne tarče so bile nadaljnjo preučene z uporabo sočasne fMRI in TMS metode na treh zdravih prostovoljcih (2ž/1m, povprečna starost: 25.7 ± 0.3). Rezultati: V skladu s prejšnjimi raziskavami je izvedba naloge EDT povzročila aktivacijo bilateralnega DLPFC-ja. Povprečna oddaljenost med individualnimi funkcionalno definiranimi DLPFC lokacijami in najbolj pogosto uporabljenimi DLPFC lokacijami je dosegla med 16 in 40.59mm. Pristopi definiranja lokacije DLPFC, ki so sprejeti kot manj efektivni (5cm metoda in EEG-F3 lokacija), so bili najbolj oddaljeni od individualnih funkcijsko definiranih tarč. Kljub temu, da so lokacije funkcijsko definiranih tarč močno razpršene med posamezniki, se je pristop funkcijskega definiranja DLPFC lokacije izkazal za stabilnega, saj je povprečna variacija med dvema ločenima blokoma EDT naloge znotraj ene meritve dosegla 3.4mm, med dvema ločenima blokoma med dvema meritvama pa 5.4mm. Podobna zanesljivost je bila najdena pri vzorcu z veliko depresivno motnjo diagnosticiranih pacientov. TMS stimulacija med fMRI slikanjem je bila uspešno aplicirana z uporabo vseh izbranih pristopov izbire tarče. Ugotovili smo, da se je aktivacija za depresijo pomembnega možganskega predela anteriornega cingulatnega korteksa (ACC) zmanjšala le ob aplikaciji TMS-ja na funkcionalno določeno tarčo pridobljeno s pomočjo naloge EDT. Zaključki: Na podlagi rezultatov zaključujemo, da je uporaba naloge EDT uspešna pri pridobivanju individualnih funkcionalnih DLPFC lokacij. V skladu s tem smo ugotovili, da te lokacije močno variirajo med posamezniki in je zato uporaba enega samega pristopa za določitev tarče stimulacije suboptimalna. Prikazali smo visoko zanesljivost uporabe EDT naloge tako v vzorcu zdravih prostovoljcev kot v vzorcu depresivnih pacientov. Zaradi funkcionalne specifičnosti EDT naloge pričakujemo večji odziv na TMS stimulacijo v primerjavi z ostalimi, do sedaj najpogosteje uporabljenimi pristopi za določanja tarče. S tem močno priporočamo nadaljnjo uporabo in usmeritev raziskovanja v funkcionalno določanje tarč za terapijo s TMS stimulacijo.

• Ključne besede: TMS