methods fmri tms

8/9/2019 Methods FMRI TMS

1/90

Onderzoeksmethoden:

Neuroimaging IIIlja Sligte

DOWNLOAD ALVAST:opensesame (PC werkt altijd, MAC niet altijd)

osdoc.cogsci.nl/getting-opensesame/download/

1

http://osdoc.cogsci.nl/getting-opensesame/download/


2/90

Overview

• GISTEREN: Korte beschrijving onderzoeksmethoden (H2)

• GISTEREN: in-depth EEG (correlationele

onderzoeksmethode) + in-depth transcraniële elektrischehersenstimulatie (causale onderzoeksmethode)

• VANDAAG: in-depth fMRI (correlationeleonderzoeksmethode) + in-depth transcraniële

magnetische hersenstimulatie (causaleonderzoeksmethode)

• EEG-TES horen bij elkaar, fMRI-TMS horen bij elkaar

2


3/90

Topics MRI/fMRI• Wat meet je met fMRI?

• Welk neuraal circuit meet je met fMRI?

• fMRI is heel nauwkeurig in de ruimte

• fMRI is niet nauwkeurig in de tijd (maar dit is niet echt een

probleem)

• Waar moet je op letten bij fMRI analyses?

• Hoe kan je fMRI gebruiken?

• MRI fysica: wat voor signaal meet je?

3


4/90


5/90

Deoxygenated Blood! Signal Loss

Oxygenated blood?No signal loss!

Deoxygenated blood? Signal loss!!!

Because, deoxy HB acts as littlemagnet and causes more rapiddesynchronisation of spin-spinalignment = less signalmeasured

Images from Huettel, Song & McCarthy, 2004, Functional Magnetic Resonance Imaging 5


6/90

Envelope of the BOLD response

• First oxygen isconsumed, which causesT2* signal loss (initialdip)

• Then, flow of oxygen richblood happens, whichcauses T2* signal

increase (positive BOLDresponse).

6

BOLD =blood oxygenation level dependent


7/90

Neurale activiteit leidt tot eenmagnetische signaalverandering die altijd

dezelfde vorm heeft

7


8/90





probleem)




8


9/90

What does BOLD measure?

9

Source: Arthurs & Boniface, 2002, Trends in Neurosciences


10/90

Neural Networks

10


11/90

Simple Circuits Aren’t Simple

Will BOLD activation from the blue

voxel reflect:• output of the black neuron (actionpotentials)?

• excitatory input (green synapses)?

• inhibitory input (red synapses)?

• inputs from the same layer (whichconstitute ~80% of synapses)?

• feedforward projections (fromlower-tier areas)?

• feedback projections (from higher-tier areas)?

Lower tier area(e.g., thalamus)

Middle tier area(e.g., V1, primary visual

cortex)

Higher tier area(e.g., V2, secondary

visual cortex)

!

gray matter

(dendrites, cell bodies& synapses)

white matter(axons)

11


12/90

Ok right, but what does BOLD measure?

We need a combined intracortical recording/FMRIexperiment.

Logothetis et al. (2001 in Nature) did this and

presented a visual stimulus for 4, 12 or 24 s.

Compared local field potentials (LFP) and multi-unit acitivity (MUA) with BOLD MRI.

12

RESULT: BOLD activityis more closely relatedto LFPs than MUA

Local Field Potentials (LFP)

• reflect post-synaptic potentials (combined input)

• similar to what EEG (ERPs) and MEG measure

Multi-Unit Activity (MUA)

• reflects action potentials (output)

• similar to what most electrophysiology measures.


13/90

Welk neuraal circuit?

• Hetzelfde als EEG, maar dan veel nauwkeuriger in

de ruimte (local-field potentials; LFP)

• Dat wil zeggen: input van groepen pyramidaal

cellen (richting van neuronen is alleen niet

belangrijk!)

• Dit wordt wel met een vertraging van 5-6 seconden

gemeten ten opzichte van wanneer de LFP

daadwerkelijk optreedt.

13


14/90





probleem)




14


15/90

Ocular Dominance Columns

• Columns on the order of ~0.5 mm have been observed withfMRI

15


16/90

Submillimeter Resolution

Goenze, Zappe & Logothetis, 2007, Magnetic Resonance Imaging

• anaesthetized monkey; 4.7 T; contrast agent (MION)

• ~0.3 x 0.3 x 2 mm

Gradient Echo

Functional(superficial activation

includes vessels)

Spin Echo

Functional(activationlocalized toLayer IV)

Spin Echo

Anatomical

Gradient Echo

Anatomical

veinStria of Gennari (Layer IV)

16


17/90





probleem)




17


18/90

Het maakt niet uit of je fMRI op eensnelle manier meet

Huettel, Song & McCarthy, 2004, Functional Magnetic Resonance Imaging

18


19/90

Hu et al., 1997, MRM 19


20/90

Het is niet erg dat fMRI niet snel te meten is.Het signaal telt lineair op.

Source: Dale & Buckner, 1997

red = 2 - 1

green = 3 - 2

Sync each trial response tostart of trial

Not completelylinear,but good enough!

20


21/90





probleem)




21


22/90

22

Beware of the big magnet!


23/90

Sample Artifacts

Ghosts

Spikes

Metallic Objects (e.g., hair tie)Hardware Malfunctions

23


24/90

Head Motion: Main Artifacts

24


25/90

Head Motion: Good, Bad,!

25


26/90

! and catastrophically bad

26


27/90

The Fridge Rule

• When it doubt, throw it out!

27


28/90

Head Restraint

Head Vise(more comfortable than it

sounds!)

Bite Bar

Often a whack of foam padding works as well as anything

Vacuum Pack

Thermoplastic mask

28

http://www.corkscrew-balloon.com/misc/torture/index.html


29/90





probleem)




29


30/90

Stel: ik heb 2 condities (een huis in blauw

en een gezicht in grijs). Waar reageert deze

voxel (= 3D beeldpunt) dan sterker op?

30


31/90

31

Stel: ik heb 2 condities. Waar

reageert deze voxel dan sterker op?


32/90

32

Stel: ik heb 2 condities. Waar

reageert deze voxel dan sterker op?


33/90

fMRI signaal bestaat uit

33

+

+

fMRI signaal

=

Signaalverandering

conditie 1

Signaalverandering

conditie 2

+

Ruis


34/90

Het enige dat je moet doen met fMRI is per conditieinschatten hoe groot de signaalveranderingen zijn(least-squares fitting), de vorm is altijd hetzelfde

34


35/90

Dit doe je voor een heleboel beeldpunten

(± 300.000) en dat visualiseer je weer

35


36/90

Disclaimer• GEEN signaalverandering betekent niet dat er GEEN

informatie aanwezig is in het fMRI-signaal!!!

• Je kijkt naar signaalveranderingen per voxel, niet naarpatronen van signaalverandering

• De laatste jaren kijken we naar patronen vansignaalverandering: “pattern classification” en “multivoxelpattern classification”

36


37/90

Standaard fMRI

37


38/90

Repetition suppresion: als een hersengebied

gevoelig is voor een stimulus, zal het hersengebied

de tweede keer minder sterk reageren

38


39/90

Patronen zijn betekenisvol

39


40/90


41/90

Gezicht of een huis?

41


42/90


43/90

Zelfs als er geen significante signaalverandering is in

een heel hersengebied, kan je uit de patronen nog

steeds inschatten welke informatie wordt verwerkt

43


44/90

44


45/90

Hoe kan je fMRI gebruiken?

Univariate: je kijkt per voxel of er verschillen inzuurstof-verbruik zijn tussen condities (meestestudies). Daarna middel je over groepen voxels en

kan je uitspraken doen over gemiddelde activatie ineen hersengebied.

Multivariate: je kijkt per conditie of (nabijgelegen)

voxels verschillen in zuurstof-verbruik; je kijkt dus naarpatronen (tussen voxels). Zelfs als een hersengebiedgemiddeld geen verschil in zuurstof-verbruik laat zien,kan je toch verschillen in patronen waarnemen!

45


46/90





probleem)




46


47/90

Kijk deze video!

https://www.youtube.com/watch?v=djAxjtN_7VE

Je moet T2 kunnen uitleggen (T1 is al inhet vorige tentamen voorgekomen)

Spin-synchronisatie veroorzaakt eenmagnetische lading, dit kan je alleenhaaks op het B0 veld meten

47



48/90

MRI PHYSICS

48

Magnet RadioSpinning top (“tol”)(Some atoms will do)


49/90

49

Some atoms produce a magnetic field

1. The hydrogen atom is chargedand moves around its axis

2. Moving charged particlesproduce a magnetic field

Only odd-numbered atoms(proton/neutron) are measurable.

1H, 13C, 19F, 23Na, 31P

3. The big arrow isthe magnetic fieldof the H particle


50/90

50

...and align with other magnetic fields

When hydrogen atoms are placed in

a large magnet they align with themagnetic field.

In a non-magnetic environment

hydrogen atoms have a randomorientation


51/90

51

Per Tesla and atom per millionhydrogen atoms only 6 atomsmore are aligned with the fieldthan against the field.

+

-

+

-

Low energy

state

High energy

state

+

-

+

-

Low energy

state

High energy

state

H atoms can be in a high or low energy state


52/90

52

Proton, magnetism, precession

3. The frequency of theprecession depends onthe strength of themagnetic field!

1. Because of the spinthe hydrogen atom isshifted from the axis ofthe B0 field.

2. This results in arotation around the axisof the magnetic field (theprecession rate).


53/90

SO THE MAGNET CAUSES ATOMS TO SPIN AROUNDTHE MAGNETIC AXIS. BUT WHAT DOES THE RADIO DO?

53

Magnet RadioSpinning top (“tol”)


54/90

Radio waves and magnetism

If an electromagnetic radiofrequency (RF) pulse is appliedat the resonance (Larmor)frequency, then the protonscan absorb that energy.

At the quantum level, 2 thingshappen:

1. Magnetization changes(longitudinal excitation),

2. The phase of spins willbecome synchronized

(transversal excitations).

54

Protons jumps to higher energy state


55/90

T1 or spin-lattice relaxation

55

http://www.youtube.com/watch?v=0YBUSOrH0lw

http://www.youtube.com/watch?v=0YBUSOrH0lw


56/90

Radio waves and magnetism






56

Protons jumps to higher energy state


57/90

When turning off the radio!






57

Protons jumps back to low energy

! and emit a radio wave.


58/90

When turning off the radio!

T1 or spin-lattice relaxation.

Groot molecuul (=vet), snellerecovery

Klein molecuul (=water),langzame recovery

58

Protons jumps back to low energy

! and emit a radio wave.


59/90

T2 or spin-spin relaxation

If an electromagnetic radiofrequency (RF) pulse is appliedat the resonance (Larmor)frequency, then the protons canabsorb that energy.



2. The phase of spins will

become synchronized(transversal excitations) anddesynchronize again.

59

http://www.youtube.com/watch?v=P0YuwCphcRU&feature=channel&list=UL

http://www.youtube.com/watch?v=P0YuwCphcRU&feature=channel&list=UL


60/90

1. THE MAGNET CAUSES ATOMS TO SPIN AROUND THE MAGNETIC AXIS WITH A SPECIFICFREQUENCY, THE SO-CALLED LARMOR FREQUENCY

2. WHEN THE RADIO EMITS RADIO SIGNALS EXACTLY AT THE RIGHT FREQUENCY, IT WILLEXCITE THE ATOMS IN TWO WAYS: LONDITUDINAL (T1) & TRANSVERSAL (T2).

3. AFTER TURNING OFF THE RADIO, THE ORIENTATION OF THE ATOMS WILL REALIGN WITH THE

MAGNETIC FIELD AND SEND BACK A RADIO SIGNAL (T1) AND SPINS BETWEEN ATOMS WILLDESYNCHRONIZE (T2) CAUSING SIGNAL LOSS OVER TIME

60

Magnet RadioSpinning top (“tol”)


61/90

How functional MRI works (T2*)

In the real world, spinsdesynchronize much fasterthan T2 would predict.

This is because pure T2 decay isa function of completelyrandom interactions betweenspins.

In reality, there are manyimperfections in thehomogeneity of a magnetic

field.

61


62/90

Susceptibility Artifacts

-T2* artifacts occur near junctions between air and tissue

• sinuses, ear canals

sinuses

ear

canals

T1-weighted image T2*-weighted image

62


63/90

The Benefit of Susceptibility

Susceptibility variations can also be seen around blood vesselswhere deoxyhemoglobin affects T2* in nearby tissue

Aha!

63


64/90

BOLD MRI

64


65/90

Deoxygenated Blood! Signal Loss

Oxygenated blood?No signal loss!

Deoxygenated blood? Signal loss!!!

Because, deoxy HB acts as littlemagnet and causes more rapiddesynchronisation of spin-spinalignment = less signalmeasured

Images from Huettel, Song & McCarthy, 2004, Functional Magnetic Resonance Imaging 65


66/90

Kijk deze video!


Je moet T2 kunnen uitleggen (T1 is al inhet vorige tentamen voorgekomen)

Spin-synchronisatie veroorzaakt eenmagnetische lading, dit kan je alleenhaaks op het B0 veld meten

66



67/90





probleem)

•

Waar moet je op letten bij fMRI analyses?



67


68/90

Overview

• GISTEREN: Korte beschrijving onderzoeksmethoden (H2)

• GISTEREN: in-depth EEG (correlationele

onderzoeksmethode) + in-depth transcraniële elektrischehersenstimulatie (causale onderzoeksmethode)

• VANDAAG: in-depth fMRI (correlationeleonderzoeksmethode) + in-depth transcraniële

magnetische hersenstimulatie (causaleonderzoeksmethode)

• EEG-TES horen bij elkaar, fMRI-TMS horen bij elkaar

68

!


69/90

Causale methodenExtracraniële stimulatie

Magnetische stimulatie

door de schedel heen

Vrij nauwkeurig (1 cm)

Online Transcraniële

magnetische stimulatie(TMS) = tijdens taak

Offline TMS = voor taak

69

TMS en MRI zijn bondgenoten

!

!


70/90

Wat details TMS

• Redelijk duur (±!50k)

• Zwaar apparaat

• Veroorzaakt neurale

activiteit (spikes) tijdens

TMS en dit kanepileptische insulten

opwekken

!

70


71/90

What is TMS?

A TMS coil is placed above the cortical area you want to target

Occipital (Visual) Area Motor Area

TMS is a technique with which you can disrupt neural activity at a local level and

influence activity in neural networks.

71


72/90

Neuraal gezien

• Door snelle veranderingen in het magnetisch veld,

wordt elektrische stroom in het onderliggende

weefsel veroorzaakt (headbangen achter MRI

scanner = full brain TMS)

• TMS veroorzaakt vaak actiepotentialen.

• Maar beïnvloedt ook andere neurale processen.

72


73/90

Electrical current is generated and discharged.

This generates a magnetic pulse!

! changing at a rapid rate.

This current causes neurons to depolarize and fire

Prolonged stimulation results in a decrease of the firing rate.

As a result, an electric field is

induced.

A current is induced in cortical tissue.

73


74/90

Wagner et al., 200974


75/90

Neuraal gezien

• Door snelle veranderingen in het magnetisch veld,

wordt elektrische stroom in het onderliggende

weefsel veroorzaakt (headbangen achter MRI

scanner = full brain TMS)

• TMS veroorzaakt vaak actiepotentialen.

• Maar beïnvloedt ook andere neurale processen.

75

Nauwkeurigheid invloed


76/90

Nauwkeurigheid, invloed

van frequentie, online/offline• De vorm van de spoel bepaalt hoe nauwkeurig

TMS is.

• Hoe hoger de frequentie en hoe langer de duur,

hoe meer invloed op neural signaal.

•

Offline TMS (voor taak) kan tot verslechtering (lagefrequentie, continue theta-burst) of verbetering

(hoge frequentie, intermittent theta-burst) leiden

76


77/90

The difference in induced fields between a circular coiland a figure-of-8 coil over the same brain region.

Induced electrical field by the two different coils

coils

77


78/90

Allen et al., 200778


79/90

In an online experiment

(pulses during task) the

higher the frequency, the

higher the disruption.

Slow rTMS decreases cortical

excitability

Fast rTMS increases cortical

excitability

Show relatively large

variability between subjects.

In offline experiments thisis more complex

rTMS

79


80/90

rTMS

80


81/90

Theta Burst stimulation based on the physiologic pattern of neuronal firing found in thehippocampus.

Three-pulse burst at 50Hz given every 200 milliseconds (5 Hz).

Two paradigms: Continuous and intermittent stimulation

Huang et al., 2009

TBS

81


82/90

cTBS produces inhibition of MEPs, whereas iTBS facilitates MEPs for a severalminutes after stimulation

Huang et al., 2005

TBS

82

Nauwkeurigheid invloed


83/90

Nauwkeurigheid, invloed

van frequentie, online/offline• De vorm van de spoel bepaalt hoe nauwkeurig

TMS is.

• Hoe hoger de frequentie en hoe langer de duur,

hoe meer invloed op neural signaal.

•

Offline TMS (voor taak) kan tot verslechtering (lagefrequentie, continue theta-burst) of verbetering

(hoge frequentie, intermittent theta-burst) leiden

83


84/90

Advies

• TMS is erg nauwkeurig

•

Gebruik neuronavigatie op basis van fMRI of MRI

84


85/90

Image guided TMS

• Position sensor

–

Defines a coordinate space

–

Monitors changes in this

space

• Trackers

– Keep track of the TMS coil

and markers on the subject.

•

Computer

–

Obtains coordinates oftrackers from position sensor

– Displays anatomical MRI of

subject.

–

Overlay TMS on MRI

85


86/90

86


87/90

87


88/90

88


89/90

Advies

• TMS is erg nauwkeurig

• Gebruik neuronavigatie op basis van fMRI of MRI

89


90/90

VRAGEN?

methods fmri tms

Documents