Improving the quality of combined EEG-TMS neural recordings: artifact removal and time analysis

Abstract

The combination of TMS (transcranial magnetic stimulation) and EEG (electroencephalography) allows a functional assessment of cortical regions in a controlled, non-invasive way and without the need of having subjects under study perform a task. Thanks to this combination, a characterization of the cerebral signals of schizophrenic patients (16) and healthy controls (15), through the TMS-evoked potentials (TEPs), will be performed. Two protocols will be evaluated: SICI (short-interval intracortical inhibition) and LICI (long-interval intracortical inhibition), which activate different inhibitory-type receptors (GABA-A and GABA-B, respectively). In both protocols, there are signals with a single TMS-pulses (SP) or with paired-pulses (two pulses, PP). Thus, besides the characterization, the different results obtained will be compared between type of pulses, protocols and groups of study. The methodology followed is the typical one for this type of signals: removal of the TMS-pulse(s); ICA (independent component analysis) application to delete the artefactuated or noisy components; signal reconstruction with the good components and bad channel and bad trial rejection. Once the pre-processing is finished and the signal is clean, the TMS-evoked potentials are obtained. For the purpose of finding the differences between PP and SP, the former signal is subtracted from the latter and a modulation ratio is computed. The TEPs found are P25, N30, P50, N100, P140, N160 and P200. Regarding the differences between types of pulses, the observed that the TEP amplitudes for LICI PP are lower than the ones for LICI SP. However, this difference is not clearly seen in SICI protocol. As to the differences between subjects, it seems that the controls have greater inhibition than the patients. In conclusion, the results are remarkably similar to the ones expected. Due to the small sample size and the fact that it is still a poorly studied filed, some results do not match completely with the ones in the literature, but they follow the same tendency

La combinació de la TMS (estimulació magnètica transcranial, per les seves sigles en anglès) i l’electroencefalograma permet una avaluació funcional directa de regions corticals d’una manera controlada, no invasiva i sense necessitat de realitzar una tasca per part del subjecte d’estudi. És amb la combinació d’aquestes dues tècniques que es vol caracteritzar les senyal cerebrals de persones amb esquizofrènia (16) i persones sanes (15), obtenint els potencials evocats pel TMS (TEP). S’avaluen dos protocols: SICI (short-interval intracortical inhibition) i LICI (long-interval intracortical inhibition), que activen diferents receptors de tipus inhibitori (GABA-A i GABA-B, respectivament). Dins d’aquests protocols, hi ha senyals amb un sol pols de TMS (SP) o amb dos polsos (PP). Així doncs, a part de la caracterització de la senyal, també es comparen els resultats entre els diferents tipus de polsos (1 ó 2), els protocols i els dos grups d’estudi. La metodologia seguida és la típica per aquest tipus de senyals: eliminació del pols o polsos; aplicació d’ICA (anàlisis de components independents), per tal d’eliminar aquelles components artefactuades i/o sorolloses; reconstrucció de la senyal amb les components bones i eliminació de canals i experiments sorollosos. Un cop s’ha fet el pre-processament de la senyal i aquesta està neta, es busquen els potencials evocats pel pols(os) del TMS. Per buscar les diferències entre PP i SP, es resta la primera senyal a la segona i es calcula un rati de modulació. S’han trobat els TEPs P25, N30, P50, N100, P140, N160 i P200. Referent a les diferències entre tipus de polsos, s’observa que les amplituds dels TEPs és menor en LICI PP que en LICI SP. Tanmateix, aquesta diferencia no es veu tan clara en el protocol SICI. Pel que fa les diferències entre subjectes, sembla que els controls (les persones sanes) tenen més inhibició que no pas els pacients. En conclusió, els resultats obtinguts són bastant propers als esperats. Degut a la mida reduïda de la mostra i a que es tracta d’un camp encara poc estudiat, els resultats no són exactament els de la literatura però sí que van en la mateixa línia

La combinación de la TMS (estimulación magnética transcranial, por sus siglas en inglés) y el electroencefalograma permite una avaluación funcional directa de regiones corticales de una manera controlada, no invasiva y sin necesidad de realizar una tarea por parte del sujeto de estudio. Es con la combinación de ambas técnicas que se quiere caracterizar las señales cerebrales de personas con esquizofrenia (16) y personas sanas (15), obteniendo los potenciales evocados por el TMS (TEPs). Se evalúan dos protocolos: SICI (short-interval intracortical inhibition) y LICI (long-interval intracortical inhibition), que activan diferentes receptores de tipo inhibitorio (GABA-A y GABA-B; respectivamente). Dentro de estos protocolos, hay señales con un solo pulso de TMS (SP) o con dos pulsos (PP). Así pues, a parte de la caracterización de la señal, también se comparan los resultados entre los diferentes tipos de pulsos, los protocolos y los dos grupos de estudio. La metodología seguida es la típica para este tipo de señales: eliminación del pulso o pulsos; aplicación de ICA (análisis de componentes independientes), con el fin de eliminar las componentes artefactuadas y/o ruidosas; reconstrucción de la señal con las componentes buenas y eliminación de canales y experimentos ruidosos. Una vez hecho el pre-procesado de la señal y ésta está limpia, se buscan los TEPs. Para buscar las diferencias entre PP y SP, se resta la primera señal a la segunda y se calcula una ratio de modulación. Se han encontrado los TEPs P25, N30, P50, N100, P140, N169 y P200. Referente a las diferencias entre tipos de pulsos, se observa que las amplitudes de los TEPs son menores en LICI PP que en LICI SP. Sin embargo, esta diferencia no se ve tan clara en SICI. En cuanto a las diferencias entre sujetos, parece ser que los controles (personas sanas) tienen más inhibición que los pacientes. En conclusión, los resultados son muy similares a los esperados. Debido al tamaño reducido de la muestra y a que es un campo poco estudiado, los resultados no son exactamente iguales a los de la literatura, pero sí que van en la misma línea