Methodological Improvements in Combining TMS and Functional MRI

Abstract

Since 1997, when Bohning and colleagues demonstrated for the first time the feasibility of interleaving transcranial magnetic stimulation (TMS) with blood oxygenation level dependency functional magnetic resonance imaging (BOLD fMRI), this combination became a very promising techniques to study brain connectivity. However, the implementation of a reliable setup for interleaved TMS/fMRI is still technically challenging. In this thesis, I intended to further explore and develop methodological improvements in combining TMS and fMRI and to apply them in order to better understand the neural underpinnings of the behavioral TMS effects and to study brain connectivity. First, I developed and validated a new hardware/software coil positioning method for interleaved TMS/fMRI and demonstrated the feasibility of our overall setup. Second, a setup for combining TMS with continuous arterial spin labeling (CASL) was implemented and I tested the feasibility of this novel combination. Third, I demonstrated that this combination is sensitive enough to reliably measure rCBF changes induced by TMS, and that interleaved TMS/CASL can detect differences between the effects on regional cerebral flow (rCBF) of two different stimulation protocols. Fourth, it was shown that interleaved TMS/CASL is suitable to target questions from cognitive neuroscience. It was demonstrated that TMS applied over left dorsal premotor cortex (PMd) has different effects on the remote rCBF activation depending on the motor task. Overall, the results presented in this thesis suggest that interleaved TMS/CASL can become an interesting complement to interleaving TMS with normal BOLD fMRI, and that this combination can be considered for studying the impact of fully-fledged repetitive TMS protocols.

Seit 1997, als Bohning und Kollegen zum ersten Mal die Möglichkeit einer Integration von TMS (Transkranieller Magnetstimulation) mit BOLD-fMRT (Blood Oxygenation Level Dependency Magnetresonanztomographie) demonstrierten, wurde diese Kombination rasch eine verheissungsvolle Methode, um die Konnektivität des Gehirns zu untersuchen. Die Implementierung eines zuverlässigen Setups für die Kombination von TMS/fMRT ist technisch nach wie vor eine grosse Herausforderung. Diese Dissertation beabsichtigt methodologische Verbesserungen für die Kombination von TMS mit fMRT weiter zu entwickeln und anzuwenden. Zuerst wird eine neue Hardware/Software TMS Spulenpositionierungsmethode für TMS kombiniert mit fMRT entwickelt, validiert sowohl die Realisierbarkeit des entwickelten, allgemeinen Setups untersucht. Zweitens wurde ein Setup für die Kombination von TMS mit CASL (Continuous Arterial Spin Labeling) eingeführt und ebenso die Realisierbarkeit dieser neuartigen Kombination geprüft. Drittens wird gezeigt, dass diese Kombination sensitiv genug ist für eine zuverlässige Messung der rCBF (Regional Cerebral Flow) Änderungen, verursacht durch TMS. Es wird ebenso demonstriert, dass die Kombination von TMS mit CASL Unterschiede in den Effekten auf den regionalen rCBF messen kann, hervorgerufen durch zwei verschieden Anregungsprotokolle. Viertens wird nachgewiesen, dass die Kombination von TMS mit CASL geeignet ist, Fragen der kognitiven Neurowissenschaft experimentell zu untersuchen. Es wird zum Beispiel gezeigt, dass TMS Stimulation über den linken dorsalen Premotor Cortex (PMd) verschiedene Effekte auf die rCBF Aktivierung hat, in Abhängigkeit von unterschiedlichen Bewegungszuständen. In Summe schlagen die Ergebnisse, die in dieser Dissertation dargestellt werden, vor, dass die Kombination von TMS mit CASL eine vielversprechende Ergänzung zur herkömmlichen Kombination von TMS mit BOLD-fMRT ist und dass diese Kombination als Auswirkung zur Erforschung neuer TMS Protokolle betrachtet werden kann.