利用颅内磁刺激测量和操纵人体运动系统中功能特定的神经通路

Summary

本文介绍了利用颅内磁刺激测量和加强功能特定的神经通路的新方法。这些先进的非侵入性脑刺激方法可以为理解大脑行为关系和开发治疗大脑疾病的新疗法提供新的机会。

Abstract

了解大脑区域之间的相互作用对于研究目标导向行为非常重要。大脑连通性功能神经成像为大脑的基本过程（如认知、学习和运动控制）提供了重要的见解。然而，这种方法不能为大脑感兴趣的区域的参与提供因果证据。颅内磁刺激（TMS）是一种强大的非侵入性工具，用于研究人脑，通过瞬时改变大脑活动来克服这种限制。在这里，我们重点介绍使用配对脉冲双位点 TMS 方法的最新进展，该方法具有两个线圈，它们在不同的任务上下文中对人体运动系统中的皮质-皮质相互作用进行因果探测。此外，我们描述了一种基于皮质成对关联刺激（cPAS）的双位点TMS协议，通过用两个线圈重复对皮质刺激，暂时地提高两个相互关联的大脑区域的突触效率。这些方法可以更好地了解认知运动功能背后的机制，以及以有针对性的方式操纵特定神经通路以调节大脑回路和改善行为的新视角。这种方法可能被证明是一个有效的工具，以开发更复杂的模型的大脑行为关系，并改善诊断和治疗许多神经和精神疾病。

Introduction

非侵入性脑刺激是一种有前途的评估工具和治疗许多神经系统疾病，如帕金森病，阿尔茨海默氏病，中风1，2，3，4。有越来越多的证据表明，神经系统疾病的行为表现与皮质兴奋性异常、神经可塑性、皮质皮质和皮质-皮下连通性^5、6之间的关系。因此，关于大脑网络动力学和神经病中可塑性的基本知识可以为疾病诊断、进展和治疗反应提供宝贵的见解。功能磁共振成像（fMRI）是一个有用的工具，了解大脑和行为之间的复杂关系，在健康和患病的大脑网络，并有可能改善治疗基于网络视角^7，8，9。然而，fMRI在本质上是相互关联的，不能提供大脑功能和行为之间的因果联系，也不能操纵功能连接来恢复与患者行为障碍相关的异常神经回路10，11，12。

Protocol

下面介绍了以下三种 TMS 方法。首先，描述了两种方法，使用双位点颅磁刺激（dsTMS）测量皮质皮质-皮质连接，而参与者为1）处于静止状态（静止状态）或2）执行物体定向的到达抓合运动（与任务相关）。其次，描述皮质成对关联刺激 （cPAS） 方法，通过配对皮质刺激（例如，后皮和原运动皮质），以受控方式调节两个大脑区域之间的相互作用，以增强功能与TMS的特定神经通路，并诱导皮质兴奋性的变化。为每个方法提供了具有代表性的数据集。本议定书中描述的所有方法均根据《赫尔辛基宣言》获得密歇根大学机构审查委员会的批准。

1. 参与者招聘

1. 在招聘前，对所有参与者的TMS^{95、96、97、98、99、100}和磁共振成像（MRI）的任何禁忌症进行筛查。招募惯用右手的参与者^101，用于研究电机系统中功能连接的实验。
2. 告知每位学员有关当地机构审查委员会批准的研究目标、程序和风险。在允许个人参与研究之前，获得书面同意。

Results

图 5显示了在参与者处于静止（顶部面板）或计划对对象（底部面板）进行目标导向的抓握操作时，TMS 在 FDI 肌肉中针对非空调测试刺激（仅 TS 到 M1，蓝色轨迹）或来自 PPC（CS-TS，红色轨迹）的有条件刺激而引出的 EP 响应的大小。在静止时，PPC 对 ipsi侧 M1 施加抑制性影响，如在超阈值 TS 超过 M1（顶部面板）之前通过 PPC 5 ms 交付的子阈值 CS 的 MEP 振幅减小就可以看出。在准备抓取操作期间，PPC 的这种网络抑制驱动从 PPC 切换到促进（抑制释放）。为了直接比较休息期间的PPC-M1交互与任务需求，MEP振幅被归一化为每个条件的TS单独试验，并绘制为MEP振幅的比率。在规划对象导向的抓握（紫色条形）时，PPC-M1 交互从静止中得到促进。

图 6的顶部面板显示了 cPAS 协议管理期间 MEP 振幅的变化。在刺激协议期间，PPC 和 M1 的配对刺激引起的 MEP 振幅逐渐增加，这表明在 Parieto-运动连接、M.......

Discussion

此处描述的双站点 TMS 方法可用于研究参与者处于静止或计划目标导向操作时与主运动皮层连接的不同皮质区域之间的功能交互。虽然大脑成像是相关的，但双位点TMS方法的基本知识可以揭示与皮质-皮质回路变化相关的因果脑行为关系。此外，在与 M1 相连的区域应用的两个 TMS 线圈的皮质成对关联刺激可用于增强运动控制的功能特定连接，并提高诱导可塑性的效率。总之，这些方法表明，这些TMS协议既可以测量和操作大脑区域之间的神经活动，以解剖、任务和时间依赖的方式在运动系统中传输。这提供了测试与皮质区域对运动功能的因果贡献相关的不同假设的机会。

因此，该方法还可以为神经和精神病患者在系统层面了解具有类似症状的网络连接提供重要基础，并使其既可作为诊断和治疗电路功能障碍的工具即可使用。因此，更多的研究必须探索运动系统外的其他皮质区域，以测试其在健康大脑和患病大脑中的通用性。这是一个重要因素，因为不能假设一个大脑区域对TMS的反应在应用于另一个区域时会产生同样的生理效应。这些程序可以扩展到更复杂的运动，以及认知、感知和情绪等运动以外的其他领域，这也是有利的。事实上，一些使用双位点TMS和cPAS的研究已经.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Alpha B.I. D50 线圈（涂层）	Magstim		50 毫米线圈
BrainSight 2.0 软件	流氓研究		神经导航软件
BrainSight 无框架立体定向系统	流氓研究		神经导航设备
D702线圈	Magstim		70 毫米线圈
Discovery MR750	通用电动		3.0T MRI 机
一次性耳塞	3M		泡沫耳塞
心电图电极 30mm x 24mm	Coviden-Kendall	H124SG	一次性电极
四通道隔离放大器	Intronix Technologies Corporation	2024F	肌电放大器
gGAMMAcap	g.tec 医疗工程		脑电图头帽
Micro1401-3	剑桥电子设计		科学数据记录仪和加工机
Nuprep Skin Prep Gel	Weaver and Company		皮肤准备研磨凝胶
Signal v.7	剑桥电子设计		数据采集和分析软件
Magstim BiStim2	Magstim		经颅磁刺激器（两个 2002 单位）