Analysis of the dependency of transcranial magnetic stimulation-induced effects on coil-cortex distance and orientation

Abstract

Transkranielle magnetische Stimulation (TMS) ist eine Methode zur gezielten Stimulation von kortikalen Arealen im Gehirn. Das Standard-Setup besteht aus einer Spule, die auf dem Kopf der Versuchsperson über der zu stimulierenden Region positioniert wird. Ein kurzer elektrischer Stromimpuls erzeugt ein magnetisches Feld mit einer Stärke von ca. 1 Tesla, welches eine Spannung in der darunterliegenden kortikalen Region induziert. Die von TMS induzierten Effekte hängen neben anderen Faktoren sehr stark von der Distanz zwischen Spule und Kortex, und der Orientierung der Spule in Bezug auf die Versuchsperson ab. Um diese Effekte besser zu begreifen, ist es notwendig, diese Abhängigkeit zu verstehen. Die Ziele dieser Diplomarbeit sind ein Framework zur wohldefinierten, reproduzierbaren Stimulation von kortikalen Regionen zu entwickeln und den Zusammenhang zwischen elektromyographischen Messungen von motorisch evozierten Potenzialen und der Position bzw. Orientierung der Spule in Bezug auf die Versuchsperson zu verstehen. Zusätzlich werden Simulationen des elektrischen Feldes gemacht, um experimentelle Resultate mit Vorhersagen eines Modells abgleichen zu können. Die Position und Orientierung der Spule und der Versuchsperson werden in Echtzeit mit einem optischen Neuronavigations-System gemessen. Dieses System ist außerdem mit einer TMS-Kontrollsoftware verbunden, die sicherstellt, dass ein Puls nur dann ausgelöst werden kann, wenn die Spule an der vordefinierten Position ist. Zusätzlich zur genauen Spulenpositionierung werden von derselben Software, synchronisiert zum Trigger des TMS Pulses, auch die elektromyographischen Potenziale aufgenommen. Außerdem wird die beim TMS Puls erreichte Stromstärke aufgezeichnet um später Simulationen des Feldes machen zu können. Die Diplomarbeit ist in zwei Teile aufgeteilt. Im ersten Teil wird die Genauigkeit des Neuronavigations-Systems quantifiziert und die Genauigkeit der Spulen- als auch der Versuchspersonen-Registrierung bestimmt. Im zweiten Teil werden einige in vivo Experimente durchgeführt, wobei die Position und Orientierung der Spule systematisch variiert wird. Die Effektstärke wird aus elektromyographischen Messungen bestimmt und der Position und Orientierung der Spule gegenübergestellt. Die effektivsten kortikalen Regionen werden durch Analyse von Effektgrößen und Simulationen des elektrischen Feldes bestimmt. Das ergibt eine detaillierte experimentelle Beurteilung der Veränderung von TMS-Effekten über der kortikalen Position und Orientierung. Solche Informationen sind essenziell für Ansätze zur Kompensation dieser durch Orientierung bedingten Veränderungen.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a method for targeted neural stimulation of cortical areas in the brain. The standard setup consists of a coil which is placed on the subject’s scalp above the region to be stimulated. A short electrical current pulse creates a changing magnetic field strength of about 1 Tesla which in turn induces voltages in the cortical region of interest. Among other factors, the effects of TMS highly depend on coil-cortical distance and the orientation of the coil with respect to the subject. In order to better understand TMS-induced effects and to improve TMS reproducibility throughout TMS sessions, it is necessary to know and understand this dependency. The aims of this thesis are to develop a framework for well-defined, reproducible cortical stimulation and to assess the dependency of electromyographic measurements of motor-evoked potentials on coil-cortex distance and coil orientation. In addition, simulations of the TMS coil’s electric field inside the head are performed to compare experimental results with model predictions. Position and orientation of both the TMS coil and the subject are tracked in real-time by an optical neuronavigation system which is connected to a TMS control software that only triggers stimulation pulses when the TMS coil is positioned at predefined coordinates. Besides ensuring accurate TMS positioning within a given error margin, this setup also acquires electromyographic potentials synchronised to TMS pulse application. In addition, information on the actual magnitude of TMS pulses is recorded that is later used for E-field modelling. The thesis is structured in two parts. In the first part, the overall accuracy of the neuronavigation system is assessed by quantifying the accuracy of the camera, and the accuracy of the coil and subject registration procedures. In the second part, several in vivo experiments are performed where stimulation position and orientation of the coil are varied systematically. Effects sizes are quantified from electromyography measurements and plotted against coil position and orientation. Inferences on the most effective cortical positions are made based on simulations of the coil’s electric field. This allows for an experimental assessment of the change of TMS effects over coil-cortex distance and orientation. This information is instrumental for approaches to compensate distance and orientation-related changes in stimulation intensity.