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Reliability of subject-specific BOLD response to different TMS protocols in the DLPFC
Dominik Zeman
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Philosophie und Bildungswissenschaft
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Joint-Degree Middle European interdisc. master prog. in Cognitive Science
Betreuer*in
Christian Windischberger
DOI
10.25365/thesis.80274
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-27699.47398.343017-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine Methode zur nicht-invasiven Hirnstimulation. Sie wird häufig in der Forschung eingesetzt, um die Funktion bestimmter Hirnregionen zu untersuchen, sowie als Behandlung für therapieresistente psychiatrische Erkrankungen. In Kombination mit der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) können die unmittelbaren Auswirkungen der TMS anhand des BOLD-Kontrasts beobachtet werden. So lassen sich sowohl die Wirkung der Stimulation als auch die Rolle bestimmter Hirnareale besser verstehen. Während die Stabilität der BOLD-Antwort innerhalb einer einzelnen TMS-fMRT-Sitzung bereits untersucht wurde, ist wenig darüber bekannt, wie stabil diese Reaktionen über mehrere Tage hinweg sind. In dieser Studie haben wir daher getestet, wie konstant die durch unterschiedliche TMS-Protokolle ausgelösten Hirnaktivierungen über mehrere Sitzungen bleiben und wie stark sie zwischen Proband:innen sowie verschiedenen Stimulationsprotokollen variieren. Acht gesunde Proband:Innen wurden für diese Studie rekrutiert und nahmen an jeweils drei Messungen teil. Alle Messungen wurden an einem 3T Siemens PrismaFit MR-Scanner durchgeführt. In der ersten Sitzung wurden Ruhezustands-fMRT Messungen aufgenommen sowie der aktive Motorschwellwert bestimmt. Anschließend wurde eine probandenspezifische, durch das elektrische Feld bestimmte Intensität berechnet sowie ein Zielgebiet definiert. Dieses Zielgebiet wurde im linken dorsolateralen präfrontalen Kortex (dlPFC) auf der Grundlage von invers korrelierten Aktivierungen des subgenualen anterioren cingulären Kortex (sgACC) lokalisiert. Die beiden TMS-fMRT-Sitzungen fanden an getrennten Tagen statt. Jede Sitzung umfasste zwei Läufe mit entweder Einzelimpulsen oder 10-Hz-Tripletts, wobei die Reihenfolge zwischen den Sitzungen getauscht wurde. Pro Lauf wurden 30 Stimulationen in 8.5 min verabreicht. Die funktionellen Daten wurden anschließend auf Probanden- und Gruppenebene analysiert. Die Konstanz der Aktivierung über die Sitzungen hinweg wurde in funktionell definierten Hirnnetzwerken mithilfe von Pearson-Korrelationen der jeweiligen Effektgrößen untersucht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Aktivierungsmuster innerhalb einer Person relativ stabil sind, sich jedoch stark zwischen verschiedenen Personen unterscheiden. Dies unterstreicht die Bedeutung individuell angepasster Stimulationsstrategien. Zudem zeigte sich, dass die Konsistenz der Aktivierungen zwischen Sitzungen bei Triplett-Stimulation deutlich höher war. Einzelimpulse scheinen hingegen weniger zuverlässige BOLD-Antworten zu erzeugen. Diese Effekte traten sowohl auf Netzwerkebene als auch im gesamten Gehirn auf. Die Ergebnisse zeigen, dass Triplett-Stimulation der Einzelpuls-Stimulation hinsichtlich der resultierenden BOLD-Antwort überlegen ist. Damit liefert diese Studie wichtige Hinweise darauf, wie sich TMS-induzierte Hirnantworten über die Zeit verändern und betonen die Relevanz individueller Unterschiede in der Konnektivität für die resultierende Aktivierung.
Abstract
(Englisch)
Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a method used for non-invasive brain stimulation. It is commonly used in research labs for causally investigating specific brain regions' impact on behavior and whole brain activation and in clinics as a intervention method for treatment resistant psychiatric disorders. When combined with functional magnetic resonance imaging (fMRI) the immediate effects of TMS can be observed through the blood oxygen level dependent (BOLD) response at the stimulation site and in its associated brain networks. This method gives researchers the ability to observe the effect of stimulation in real time and causally probe the functionality of specific brain regions. While the within-session reliability of TMS-fMRI has been investigated before, its reliability across different sessions on different days remains unexplored. This research utilizes concurrent TMS-fMRI to investigate the brain activations caused by different stimulation protocols and how consistent they are across sessions, checking for differences within and between subjects, as well as differences in protocols. For the study we recruited eight healthy participants who partook in three separate scanning sessions on a 3T Siemens PrismaFit MR scanner. The first session conducted was an intake session where eligibility was deemed, and active motor threshold and resting state scans were acquired to develop subject specific electric field guided amplitude adjustment and Dorsolateral Prefrontal Cortex (dlPFC) targeting based on inversely correlated activations to the Subgenual Anterior Cingulate Cortex (sgACC) respectively. The two following concurrent TMS-fMRI sessions were conducted on separate days, separated by at least 24 hours. During each stimulation session two stimulation runs were conducted applying either single pulses or 10 Hz triplets, the order of which reversed from one session to another. Subjects received 30 individual stimulations over an 8.5 minute scan. The functional data was then analyzed on a subject- and group-level. Reliability analysis was conducted by grouping the data into functionally defined parcels across different brain networks. Within- and between-subject similarity was calculated by assessing Pearson's correlation of the parcel-wise effect sizes. We found that within-subject reliability is higher than between-subject reliability stressing the importance of individualized stimulation procedures during TMS as individual anatomies and functional connectivity differences contribute to significant differences in activations across subjects. In parallel we found the parcel-wise correlation between sessions of triplets to be higher than singlets suggesting that single pulses might not be sufficient to create reliable BOLD in the dlPFC. These effects were found both on a whole-brain and individual-network level. These findings demonstrate that triplets are superior to singlets in the resulting BOLD responses. Overall, this study contributes to a deeper understanding of the mechanics of non-invasive brain stimulation as well as the broader knowledge base of cognitive science by investigating the often assumed stability of brain networks across time.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
TMS fMRI DLPFC Stabilität
Schlagwörter
(Englisch)
TMS fMRI DLPFC Reliability
Autor*innen
Dominik Zeman
Haupttitel (Englisch)
Reliability of subject-specific BOLD response to different TMS protocols in the DLPFC
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
xv, 78 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Christian Windischberger
Klassifikation
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.03 Methoden und Techniken in den Naturwissenschaften
AC Nummer
AC17774155
Utheses ID
79216
Studienkennzahl
UA | 066 | 013 | |