Methodenartikel

Messung und Manipulation funktionell spezifischer neuronaler Bahnen im menschlichen Motorsystem mit transkranieller Magnetstimulation

DOI:

10.3791/60706

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23. Februar 2020

 ,  ,  ,  , 
1School of Kinesiology, Brain Behavior Laboratory, University of Michigan

In diesem Artikel

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dieser Artikel beschreibt neue Ansätze zur Messung und Stärkung funktional spezifischer neuronaler Bahnen mit transkranieller magnetischer Stimulation. Diese fortschrittlichen nichtinvasiven Methoden zur Hirnstimulation können neue Möglichkeiten für das Verständnis von Beziehungen zwischen Gehirn und Verhalten und die Entwicklung neuer Therapien zur Behandlung von Hirnerkrankungen bieten.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Das Verständnis von Interaktionen zwischen Hirnbereichen ist wichtig für die Untersuchung von zielgerichtetem Verhalten. Funktionelle Neuroimaging der Gehirnkonnektivität hat wichtige Einblicke in grundlegende Prozesse des Gehirns wie Kognition, Lernen und motorische Kontrolle geliefert. Dieser Ansatz kann jedoch keine kausalen Beweise für die Einbeziehung von Hirninteressengebieten liefern. Transkranielle magnetische Stimulation (TMS) ist ein leistungsfähiges, nichtinvasives Werkzeug zur Untersuchung des menschlichen Gehirns, das diese Einschränkung überwinden kann, indem es die Gehirnaktivität vorübergehend verändert. Hier stellen wir die jüngsten Fortschritte mit einer gekoppelten, dualen TMS-Methode mit zwei Spulen hervor, die in verschiedenen Aufgabenkontexten kortikokortikale Wechselwirkungen im menschlichen Motorsystem kausal sonden. Darüber hinaus beschreiben wir ein tmS-Protokoll mit zwei Standorten, das auf kortikalgepaarter assoziativer Stimulation (cPAS) basiert, die die synaptische Effizienz in zwei miteinander verbundenen Hirnbereichen vorübergehend verbessert, indem wiederholte Paare kortikaler Reize mit zwei Spulen angewendet werden. Diese Methoden können ein besseres Verständnis der Mechanismen, die der kognitiv-motorischen Funktion zugrunde liegen, sowie eine neue Perspektive auf die Manipulation bestimmter neuronaler Bahnen in einer gezielten Weise, um Gehirnkreise zu modulieren und das Verhalten zu verbessern. Dieser Ansatz kann sich als ein wirksames Werkzeug erweisen, um anspruchsvollere Modelle von Gehirn-Verhaltens-Beziehungen zu entwickeln und die Diagnose und Behandlung vieler neurologischer und psychiatrischer Störungen zu verbessern.

Einleitung

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Nichtinvasive Hirnstimulation ist ein vielversprechendes Bewertungsinstrument und Behandlung für viele neurologische Erkrankungen, wie Parkinson,-Alzheimer-Krankheit, und Schlaganfall1,2,3,4. Es gibt anhäufende Beweise, die den Zusammenhang zwischen den Verhaltenserscheinungen neurologischer Erkrankungen und Anomalien der kortikalen Erregbarkeit, Neuroplastizität, kortikokortikalen und kortikosubkortikalen Konnektivität5,6. Daher können Grundkenntnisse über die Dynamik des Gehirnnetzwerks und die Plastizität bei neurologischen Erkrankungen unschätzbare Einblicke in die Diagnose, das Fortschreiten und die Reaktion auf die Therapie liefern. Funktionelle Magnetresonanztomographie(fMRT) ist ein nützliches Werkzeug, um die komplexen Beziehungen zwischen Gehirn und Verhalten in gesunden und kranken Gehirnnetzwerken zu verstehen und hat das Potenzial, die Behandlung auf der Grundlage einer Netzwerkperspektive7,8,9zu verbessern. F MRTist jedoch korrelationaler Natur und kann weder einen kausalen Zusammenhang zwischen Gehirnfunktion und Verhalten bieten noch funktionelle Konnektivität manipulieren, um abnormale neuronale Schaltkreise im Zusammenhang mit Verhaltensstörungen bei Patienten10,11,12wiederherzustellen. Transkranielle magnetische Stimulation (TMS) kann sowohl kausal messen und modulieren menschliche Gehirnfunktion und Verhalten in Gesundheit und Krankheit3,13,14,15.

TMS ist eine sichere, nichtinvasive Methode zur Stimulierung des menschlichen Gehirns16,17und kann verwendet werden, um Plastizität zu induzieren und zu messen18. Diese Methode kann unser Verständnis von kausalen Zusammenhängen zwischen einzelnen Gehirnbereichen und Verhalten fördern10,11,12,19und ihre spezifischen funktionellen Interaktionen mit anderen Knoten eines Gehirnnetzwerks20,21,22,23. Bisher konzentrierten sich die meisten Studien auf das menschliche Motorsystem, da TMS im Handbereich des Motorkortex (M1) motorisch evozierte Potenziale (MEP) als physiologische Auslesungen für Veränderungen im Zusammenhang mit dem Motorverhalten erzeugen kann.24, die Untersuchung verschiedener hemmender und erregender Schaltkreise auf Systemebene im menschlichen Gehirn25. Jüngste Fortschritte mit einem Konditionierungstest TMS Ansatz mit zwei Spulen zeigen, dass es möglich ist, funktionelle Wechselwirkungen zwischen verschiedenen kortikalen Bereichen zu messen. Im Motorsystem zeigen dual-siteTMS-Experimente, dass sich Eingänge aus kortikalen Bereichen, die mit M1 verbunden sind, mit Aufgabenanforderungen, Alter oder Krankheit ändern können.14,26. Die Seminale Arbeit von Ferbert und Kollegen hat herausgefunden, dass die Anwendung eines Konditionierungsreizes auf M1 vor einem Testreiz des anderen M1 zu einer Hemmung der MEP-Amplitude führen kann, einem Phänomen, das als Kurzintervall-Interhemisphärische Hemmung (SIHI) bekannt ist.28. Eine Reihe von TMS-Studien mit diesem Ansatz haben auch gezeigt, dass M1 stark mit dem kontralateralen M1, ventralen prämotorischen Kortex (PMv), dorsalem prämotorischen Kortex (PMd), ergänzender Motorfläche (SMA), Pre-SMA, primärem sensorischen Kortex (S1), dorsolateraler präfrontaler Kortex (DLPFC) und posterior parietal cortex (PPC) im Ruhezustand27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42. Interessanterweise ist die Wirkung der Stimulation aus diesen kortikalen Bereichen auf die motorische erpresstechnische Erregung anatomisch, zeitlich und funktionell spezifisch für die laufende Hirnaktivität während der Vorbereitung einer Bewegung (staats- und kontextabhängig43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69). Jedoch, nur sehr wenige Studien mit dual-site TMS haben Muster der funktionellen kortikokortikalen Konnektivität mit motorischen und kognitiven Beeinträchtigungen bei Patienten mit Hirnerkrankungen charakterisiert70,71,72. Dies bietet Möglichkeiten, neue Methoden zur Beurteilung und Behandlung von motorischen und kognitiven Störungen zu entwickeln.

Mit dieser Technik wurde auch festgestellt, dass wiederholte Paare von kortikalen TMS, die auf kortikale Bereiche angewendet werden, die mit M1 verbunden sind, wie kontralaterale M168,69,70, PMv76,77,78, SMA71und PPC80,81,82 Veränderungen der synaptischen Effizienz in spezifischen neuronalen Bahnen auf der Grundlage des Hebbian-Prinzips der assoziativen Plastizität83 induzieren können. ,84,85,86 und verbessern die Verhaltensleistung72,73,74. Dennoch haben nur wenige Studien diesen Ansatz verwendet, um Schaltung und Plastizität Dysfunktion bei neurologischen Erkrankungen2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96. Es bleibt zu zeigen, ob die Stärkung funktionell spezifischer neuronaler Bahnen mit TMS die Aktivität in dysfunktionalen Schaltkreisen wiederherstellen kann, oder ob die prospektive Stärkung intakter Schaltkreise die Widerstandsfähigkeit97 in Gehirnnetzwerken erhöhen kann, die die motorische und kognitive Funktion über die gesamte Lebensdauer und bei Krankheiten unterstützen. Das fehlende grundlegende Verständnis der neuronalen Mechanismen, die neurologischen Störungen zugrunde liegen, und die Auswirkungen der Stimulation auf miteinander verbundene dysfunktionale Gehirnnetzwerke schränken die aktuelle Behandlung ein.

Trotz seiner Fähigkeit, TMS hat noch ein Standard-Teil des Armamentarium der Neurowissenschaften und klinische Werkzeuge für das Verständnis von Gehirn-Verhalten-Beziehungen, Pathophysiologie von Hirnerkrankungen, und die Wirksamkeit der Behandlung. Um sein Potenzial auszuschöpfen und seine groß angelegte Anwendung zu unterstützen, ist die Standardisierung von TMS-Methoden daher wichtig, da es wahrscheinlicher ist, die Strenge zukünftiger TMS-Experimente und die Reproduzierbarkeit in unabhängigen Laboratorien zu erhöhen. In diesem Artikel wird erläutert, wie TMS zum Messen und Bearbeiten funktionaler Interaktionen verwendet werden kann. Hier beschreiben wir diese Technik im Motorsystem (z.B. Parieto-Motorweg44) durch Messung von TMS-basierten Ausgangsmessungen (z. B. MdEP), bei denen die Methode am besten verstanden wird. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass dieses Protokoll auch an die zielweise funktionelle Kopplung anderer subkortikaler85,Kleinhirn86,87und kortikaler Bereiche angepasst werden kann. 73,74,88 Darüber hinaus können Neuroimaging-Techniken wie EEG89,90,91 und fMRI92,93 verwendet werden, um die TMS-induzierten Veränderungen der Aktivität und Konnektivität zu bewerten26,94. Abschließend schlagen wir vor, dass die Untersuchung der funktionellen Einbeziehung der kortikalen Verbindung auf Schaltungsebene mit diesen TMS-Methoden sowohl in der Gesundheit als auch bei Krankheiten die Entwicklung gezielter Diagnosen und innovativer Therapien auf der Grundlage ausgefeilterer Netzwerkmodelle von Hirnverhaltensbeziehungen ermöglicht.

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Protokoll

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Die folgenden drei TMS-Methoden werden im Folgenden beschrieben. Zunächst werden zwei Methoden beschrieben, um die kortikokortikale Konnektivität mithilfe der transkraniellen Magnetstimulation (dsTMS) mit zwei Standorten zu messen, während die Teilnehmer entweder 1) ruhen (Ruhezustand) oder 2) eine objektgesteuerte Reichweite-zu-Griff-Bewegung durchführen ( aufgabenabhängig). Zweitens wird eine kortikale gepaarte assoziative Stimulationsmethode (cPAS) beschrieben, um das Zusammenspiel zweier Hirnbereiche kontrolliert zu modulieren, indem kortikale Reize (z. B. posterior parietale und primäre motorische Kortiken) gepaart werden, um die funktionellen spezifische neuronale Bahnen mit TMS und induzieren Veränderungen der kortikalen Erregbarkeit. Für jede Methode wird ein repräsentativer Datensatz bereitgestellt. Alle in diesem Protokoll beschriebenen Methoden wurden vom Institutional Review Board der University of Michigan in Übereinstimmung mit der Erklärung von Helsinki genehmigt.

1. TeilnehmerRekrutierung

  1. Prüfen Sie alle Teilnehmer auf Kontraindikationen zu TMS95,96,97,98,99,100 und Magnetresonanztomographie (MRT) vor der Rekrutierung. Rekrutieren Sie Rechtshänder101 für Experimente zur Untersuchung der funktionalen Konnektivität im Motorsystem.
  2. Informieren Sie jeden Teilnehmer über die vom lokalen institutionellen Überprüfungsgremium genehmigten Studienziele, Verfahren und Risiken. Holen Sie sich eine schriftliche Zustimmung ein, bevor Sie der Person die Teilnahme an der Studie gestatten.

2. Elektromyographie (EMG) Elektrodenplatzierung

  1. Weisen Sie den Teilnehmer an, bequem im Experimentierstuhl zu sitzen, wobei beide Arme in entspannter Position unterstützt werden. Stellen Sie den Teilnehmern während des TMS eine Kinnruhe zur Verfügung, um die Kopfbewegung während der Stimulation auf ein Minimum zu reduzieren.
  2. Reinigen Sie die Haut über dem Muskel von Interesse mit einem milden Schleifmittel. Mit einer Bauch-Tendon-Elektrodenanordnung legen Sie eine Einweg-Ag-AgCl-Elektrode auf den Bauchmuskel und eine weitere auf ein knöchernes Wahrzeichen in der Nähe für eine Referenzstelle auf beiden Händen des Teilnehmers. Wiederholen Sie diesen Schritt für jeden Muskel von Interesse.
  3. Verbinden Sie eine Bodenelektrode mit dem Ulnar-Styloid-Prozess. Es ist wichtig, den Oberflächenkontakt der Elektroden mit der Haut während der gesamten Dauer des Experiments zu überprüfen, da dies die Impedanzqualität des EMG-Signals ausschließt. Das Platzieren von Klebeband über der Oberflächenelektrode kann den Kontaktgrad mit der Hautoberfläche verbessern.
    HINWEIS: Für Reichweiten-zu-Griff-Aktionen sind die untersuchten muskelbeuge 1) die ersten dorsalen Interossen (FDI), 2) Entführer pollicis brevis (APB) und 3) Entführer digiti minimi (ADM) Muskeln der Hand.
  4. Verbinden Sie Oberflächenelektroden mit einem EMG-Verstärker und einem Datenerfassungssystem. Aufzeichnen und speichern Sie die EMG-Signale vom Verstärker zum Datenerfassungsrechner mit EMG-Software zur Online-Überwachung und Offline-Analyse des EMG-Signals. Optional verstärken Sie das EMG-Signal 1.000x und verwenden Sie einen Bandpassfilter zwischen 2 Hz und 2,5 kHz, digitalisiert bei 5 kHz über eine analog-digitale Schnittstelle.

3. Lokalisierung von Hirnbereichen für gezieltes TMS

  1. Methode 1: Lokalisierung ohne MRT-Scan
    1. Mit dem 10–20 EEG-System markieren Sie C3, das sich ungefähr über dem linken primären Motorkortex (M1) befindet, und P3, der sich ungefähr über einem Teil des Winkelgyrus im linken hinteren parietalen Kortex (PPC) auf der Kopfhaut des Teilnehmers befindet. Siehe Methoden,die zuvor 102 beschrieben wurden, für spezifische Schritte zur Lokalisierung von Hirnbereichen mit dem EEG-System 10–20 (siehe Abbildungen 3 und 4 von Villamar et al.102).
    2. Alternativ kann eine Elektroenzephalographie (EEG) Kopfkappe verwendet werden, um die Hirnbereiche auf der Kopfhaut anzunähern. Legen Sie eine entsprechend dimensionierte EEG-Kappe auf den Kopf des Teilnehmers und richten Sie die Cz-Position auf der Kappe mit der markierten Cz-Position auf der Kopfhaut des Teilnehmers aus. Markieren Sie C3 und P3 mit der Kappe.
      HINWEIS: Die Lokalisierung ohne MRT-Scan einer Person hat das Potenzial, ungenau zu sein103. Daher wird der MRT-basierten Neuronavigation dringend empfohlen, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ausrichtung auf das TMS zu erhöhen. Dies kann zu einer geringeren Variabilität der TMS-induzierten Nachwirkungen führen.
  2. Methode 2: Verwenden eines MRT-Scans
    1. Erhalten Sie vor der TMS-Sitzung die strukturelle MRT (T1) des Teilnehmers. Laden Sie den Scan in ein Neuronavigationssystem hoch.
    2. Erstellen Sie eine dreidimensionale Rekonstruktion des Gehirns und der Hautüberlagerung mit der Neuronavigationssoftware. Platzieren Sie Markierungen auf den anatomischen Landmarken an der Nasenspitze, Nasion, Inion und den präauricularen Kerben beider Ohren. Verwenden Sie den Tragus nicht, da er sich verschieben kann, wenn Ohrstöpsel eingesetzt werden.
    3. Suchen Sie den Handknopf, das anatomische Wahrzeichen, das M1104entspricht, im linken präzentralen Gyrus. Platzieren Sie an dieser Stelle einen Bahnmarker mit dem Neuronavigationssystem. Dieser Punkt sollte 45° von der mittelsagittalen Linie und etwa senkrecht zum zentralen Sulcus ausgerichtet werden. Zeichnen und benennen Sie das anatomische Wahrzeichen mit dem Neuronavigationssystem (Abbildung 1).
    4. Suchen Sie den nichtmotorischen Interessenbereich (z. B. über dem vorderen intraparietalen Sulcus-Bereich in PPC). Platzieren Sie einen zweiten Bahnmarker über diesem anatomischen Wahrzeichen. Zeichnen Sie den Standort mit dem Neuronavigationssystem auf und benennen Sie sie (Abbildung 1).
  3. Spulen- und Kopfregistrierung mit dem Tracking-System durchführen
    1. Kalibrieren Sie beide TMS-Spulen mit dem Kalibrierblock separat mit dem Neuronavigationssystem.
    2. Platzieren Sie den Headtracker sicher auf dem Kopf des Teilnehmers, sodass der Tracker während der gesamten Dauer des Experiments im Blick ist.
    3. Registrieren Sie die anatomischen Landmarken auf dem Kopf des Teilnehmers zum Neuronavigationssystem. Wenn eine MRT nicht vom Teilnehmer erhalten wurde, verwenden Sie eine Schablone MRT vom Montreal Neurological Institute.
      HINWEIS: Es ist wichtig, nicht zu viel Kraft mit dem Zeiger auf die Haut des Teilnehmers anzuwenden, um Beschwerden und Ungenauigkeiten bei der Registrierung zu vermeiden. Es kann wertvoll sein, während des gesamten Experiments regelmäßig zu überprüfen, ob sich der Headtracker nicht verschoben hat. Diese Verfahren gewährleisten Präzision beim Auftragen der TMS-Spule auf einen Zielbereich zur Stimulation während des Experiments.

4. Lokalisierung der optimalen TMS-Spulenposition und Bestimmung von Schwellenwerten

HINWEIS: In diesem Experiment bezieht sich CoilM1 auf die Spule, die verwendet wird, um M1 zu stimulieren, während CoilTwo sich auf die Spule bezieht, die verwendet wird, um Stimulation für den anderen kortikalen Bereich von Interesse zu liefern (z. B. posterior parietal cortex). Die Schwellenwerte über M1 müssen für CoilTwo bestimmt werden, um die maximale Stimulatorleistung (MSO) zu berechnen, die über nichtmotorische Bereiche verwendet wird. Motorschwellenwerte sollten gemeldet werden, um Vergleiche und Reproduzierbarkeit enden zu können.

  1. Lokalisierung und Schwellenwertierung mit CoilTwo
    1. Positionieren Sie die Mitte von CoilTwo über der im vorherigen Abschnitt identifizierten Zielposition M1, um eine hintere vordere Stromrichtung im Gehirn zu induzieren.
    2. Um den optimalen Standort für die Aktivierung des Zielmuskels zu finden, geben Sie Impulse zu M1 bei 30% des MSO der Maschine. Beobachten Sie, ob die gelieferte Stimulation zu einem Muskelzucken führt, und bestimmen Sie die Amplitude des motorisch evozierten Potentials (MEP), das mit den EMG-Elektroden aus der vom Datenerfassungssystem angezeigten Muskelaktivität aufgezeichnet wurde.
    3. Wenn ein MEP oder ein sichtbares Muskelzucken nicht beobachtet wird, erhöhen Sie die Stimulator-Ausgabe um 5% in Schritten. Die Position, Drehung, Steigung und das Gähnen der TMS-Spule müssen möglicherweise angepasst werden, um die Amplitude des MEP zu optimieren. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis eine Antwort beobachtet wird.
    4. Senken Sie die Intensität schrittweise auf die niedrigste Intensität, die mindestens 5 von 10 MEP-Antworten mit einer Amplitude von 50 V erzeugt, während der Teilnehmer in Ruhe97,98,105ist. Dies ist definiert als die Ruhemotorschwelle (RMT).
    5. Stellen Sie für die Dauer der Schwellensitzung sicher, dass sich beide Hände in einer Ruheposition befinden, wobei beide Arme und Hände mit Kissen unterstützt werden.
    6. Bereitstellung visueller oder auditiver Rückmeldungen von EMG (z. B. auf einem Monitor oder Lautsprecher) in Echtzeit während der gesamten Sitzung, insbesondere bei übermäßiger Muskelaktivität (z. B. ältere erwachsene Populationen).
    7. Fragen Sie den Teilnehmer kontinuierlich nach dem Komfort.
      ANMERKUNG: Es ist wichtig, dass alle oben beschriebenen Verfahren separat durchgeführt und für jede TMS-Spule wiederholt werden, um die spezifischen Parameter zu bestimmen, die im Experiment für die unterschiedlich großen Spulen verwendet werden (z. B. Lokalisierung der optimalen TMS-Spulenposition und Bestimmung Stimulationsintensitäten für die Motorschwellen). Es ist auch wichtig, dass das Intervall zwischen den TMS-Impulsen >5 s beträgt, um Veränderungen der kortikalen Erregbarkeit zu vermeiden.
  2. Lokalisierung und Schwellenwertung mit CoilM1
    1. Wiederholen Sie die oben beschriebenen Schritte, um mit der CoilM1die optimale Stimulationsposition zu finden.
    2. Bestimmen Sie die niedrigste Stimulator-Intensität, die benötigt wird, um in 5 von 10 Versuchen im Zielhandmuskel, wenn der Muskel vollständig entspannt ist, MdEP von 1 mV zu generieren. Markieren und zeichnen Sie die Position von CoilM1 mit dem Neuronavigationssystem auf.

5. Dual-Site TMS (Ruhezustand)

  1. Verwenden Sie zwei figurförmige Spulen (z. B. CoilM1 und CoilTwo),die mit zwei einzelnen TMS-Stimulatoren verbunden sind (z. B. zwei Magstim 2002 Einheiten). Liefern Sie die Prüfreize (TS) über M1 mit SpuleM1 (z.B. D702 figurgeformte Spule, Außendurchmesser der Schleife beträgt 7 cm) und die Konditionierungsreize (CS) in den anderen Bereich von Interesse mit CoilTwo. (z.B. D50 Alpha B.I., Außendurchmesser jeder Schleife beträgt 5 cm).
  2. Bestimmen Sie den Prozentsatz der MSO-Intensität für den Konditionierungsreiz (CS) für CoilTwo.
    ANMERKUNG: Der Prozentsatz der MSO-Intensität liegt oft zwischen 70 und 140 RMT und hängt von den spezifischen Parametern und Zielen des Experiments ab (siehe Tabelle 3 von Lafleur et al.14). Für dieses Experiment wurde das CS auf 90% der RMT eingestellt, ähnlich den Parametern, die anderswo verwendet werden35,44,60.
  3. Verwenden Sie für den Testreiz (TS) die zuvor ermittelte Intensität, die MEP-Amplituden von 1 mV im gezielten Ruhehandmuskel hervorruft.
  4. Legen Sie das präzise Interstimulus-Intervall (ISI) zwischen DEM CS und DemTS fest.
  5. Verwenden Sie die mitgelieferte Steuerungssoftware oder externe Steuerung über TTL-Impulse, um den ISI für die beiden Impulse zu steuern. Das ISI reicht oft von 4 bis 20 ms (siehe Tabelle 1 von Lafleur et al.14). Für dieses Experiment ging die CS zu PPC dem TS zu M1 durch einen ISI von 5 ms voraus.
  6. Generieren Sie mit einem kundenspezifischen Codierungsskript in zufälliger Reihenfolge die Single-Pulse TMS-Studien (TS alone) und gekoppelte PULS-TMS-Tests (CS-TS) am angegebenen ISI.
  7. Positionieren Sie CoilM1 über der linken M1 und positionieren Sie CoilTwo über dem anderen Interessenbereich.
  8. Liefern Sie die TS-Tests allein mit CoilM1. Für die Paired-Pulse -Versuche (CS-TS) liefern Sie die CS mit CoilTwo, gefolgt vom TS an CoilM1 an den vorgegebenen ISIs. Dies ist in Abbildung 2dargestellt. Wiederholen Sie mindestens 12 Versuche für jede Bedingung. Liefern Sie das TS mindestens 1 s nach Beginn der Studie, um die EMG-Aktivität vordemzuwirken. Verwenden Sie für jede Testversion einen Datenerfassungs-Sweep mit 4 s, gefolgt von einem 1 s Intertrial-Intervall.
  9. Passen Sie bei Bedarf die TMS-Spulenpositionen leicht an, um die Platzierung beider Spulen über die ausgewählten Zielpositionen auf dem Kopf des Teilnehmers zu berücksichtigen. Passen Sie die neue Position von CoilM1 und CoilTwo entsprechend an und zeichnen Sie sie auf.
  10. Verwenden Sie die Trigger-Taste auf der TMS-Maschine für die mitgelieferte Steuerungssoftware oder das kundenspezifische Codierskript des externen Controllers, um die programmierten TMS-Impulse zu liefern.
    HINWEIS: Für dieses Experiment wurden ein Datenerfassungssystem (z. B. CED Micro 1401) und ein Softwarepaket (z. B. Signalversion 7) verwendet, um Reize zu erzeugen, Daten zu erfassen, die externe Ausrüstung zu steuern und die Analyse durchzuführen. Die maßgeschneiderten Codierungsskripte, die zum Ausführen und Analysieren von Daten aus den Experimenten verwendet werden, sind vom entsprechenden Autor verfügbar.

6. Dual-Site TMS (Task-Kontext)

HINWEIS: Dual-Site TMS kann auch verwendet werden, um zu testen, ob die funktionale Konnektivität im Ruhezustand durch verschiedene Aufgabenkontexte moduliert werden kann.

  1. Befolgen Sie die gleiche Methode, die im obigen Abschnitt beschrieben wird, um die funktionellen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen kortikalen Bereichen zu untersuchen, die mit M1 verbunden sind, aber während der Vorbereitungsphase einer Aufgabe, die das Netzwerk eingreift (z. B. während des Aktionsplans für einen Griff).
  2. Bestimmen Sie den Zeitverlauf und einen kortikalen Interessenbereich (z.B. PPC), um funktionelle Wechselwirkungen mit M1 bei der Erstellung eines komplexen Bewegungsplans (z.B. objektgesteuerter Präzisionsgriff oder Ganzhandgriff43,44,45,46,47,48,49,106) für selektive Handmuskeln zu untersuchen.
  3. Generieren Sie mithilfe eines maßgeschneiderten Codierungsskripts in zufälliger Reihenfolge das Timing von TS-Einzelversuchen und Paired-Pulse-Tests (CS-TS) an einem bestimmten ISI nach dem "GO"-Cue während des Reaktionszeitraums (Planphase), so dass die MEP-Aufnahmen vor der Bewegung gesammelt werden. Einleitung (Vorverschiebungszeitraum) für die Aufgabe.
  4. Liefern Sie Single-Pulse TMS (TS alone) oder gekoppelte PULS-TMS (CS-TS) Sonden zwischen 50 und 800 ms nach dem 'GO' Cue47,49 während des Aktionsplans komplexer Handbewegungen. Siehe Abbildung 3 zum Zeitpunkt einer ereignisbezogenen Testversion für dieses Experiment. Die benutzerdefinierten Codierungsskripts, die zum Ausführen des Timings ereignisbezogener Testversionen verwendet werden, sind vom entsprechenden Autor verfügbar.
    1. Lassen Sie den Teilnehmer vor der Testsitzung mit TMS die Aufgabe für mindestens 50 Übungsversuche ausführen, um eine konsistente Reaktionszeit zu ermitteln. Fordern Sie den Teilnehmer auf, Fragen zur Aufgabe zu stellen, um eine zuverlässige Leistung während der Testsitzung mit TMS sicherzustellen.
    2. Verwenden Sie das maßgeschneiderte Codierungsskript, um alle Kombinationen von Single-Pulse TMS (TS alone) oder paired-pulse TMS (CS-TS) und Task (z. B. Erfassen eines kleineren Oberteils oder Erfassen eines größeren unteren Objekts) während des Reaktionszeitraums (Planphase) zu liefern, so dass die MEP-Aufnahmen vor der eigentlichen Bewegungseinleitung gesammelt werden.

7. Kortikale gepaarte assoziative Stimulation (cPAS)

HINWEIS: Dieses Protokoll beinhaltet die Bereitstellung von Paaren monophasischer Impulse in zwei verschiedenen kortikalen Bereichen über kurze Zeiträume, um signalspezifische Veränderungen der synaptischen Stärke zwischen Denverbindungen innerhalb des menschlichen Gehirns zu induzieren. Dieser Ansatz basiert auf hebbischen Prinzipien der Spike Timing abhängigplastizität107,108,109,110. Ähnlich wie bei tmS-Methoden mit zwei Standort-Geräten wird cPAS mit zwei TMS-Maschinen geliefert, die mit zwei einzelnen TMS-Spulen über zwei verschiedene kortikale Bereiche (z. B. PPC und M1) angeschlossen sind.

  1. Erzeugen Sie mit einem maßgeschneiderten Codierungsskript 100 Reizpaare bei 0,2 Hz (jeweils 8,3 min Dauer). Für die experimentelle cPASTwo-M1-Bedingung liefern Sie die ersten Reize über den nichtmotorischen Bereich (z.B. PPC) mit CoilTwo mit einer angegebenen Pulsintensität (z.B. 90% RMT) für 5 ms vor dem zweiten Reiz über M1 mit SpuleM1 mit einer Pulsintensität, die eine MEP-Amplitude von 1 mV in der Zielhandmuskulatur entlockt.
  2. Es ist wichtig, die Richtung der Konnektivität zu steuern: 1) (STRGM1-Zwei); 2) Timing (CTRLISI=500ms); und 3) Stimulationsstelle (CTRL Control Site-M1) in separaten Sitzungen. Beispiele finden Sie unter72,74,111,112. Die maßgeschneiderten Codierungsskripte für jede cPAS-Bedingung sind beim entsprechenden Autor verfügbar. Die Stimulationsparameter (z.B. Intensitäten und ISI) können für verschiedene kortikale Bereiche angepasst werden. Eine Zusammenfassung der Plastizitätsprotokolle finden Sie in Tabelle 2 von Lafleur et al.14.
  3. Verwenden Sie die in den vorherigen Abschnitten beschriebenen Verfahren, um die genaue Position der TMS-Spulen zu steuern.
  4. Erhalten Sie basisktograkuläre Kortikospinalmessungen mit SpuleM1 (z. B. 24 MdEP).
  5. Randomisieren Sie die Teilnehmer zu einer von vier Interventionsgruppen: 1) cPAS Two-M1; 2) STRGM1-Zwei; 3) STRGISI=500ms; 4) STRG-Steuerungsseite M1.
  6. Für dieses Experiment wurde nur die experimentelle cPAS Two-M1-Bedingung getestet und der PPC als Interessengebiet verwendet. Bei der Durchführung mehrerer Sitzungen auf demselben Teilnehmer ist es wichtig, dass jede experimentelle Sitzung durch mindestens 48 h in einer randomisierten Reihenfolge getrennt wird, um Crossover-Effekte zu verhindern. Es ist auch wichtig, Sitzungen innerhalb jedes Teilnehmers zur gleichen Tageszeit zu wiederholen, um die Wachsamkeit zu kontrollieren.
  7. Verwenden Sie das annutzerdefinierte Codierungsskript, um die angegebene cPAS-Bedingung zu liefern.
  8. Überwachen Sie die Muskelaktivität der anderen (linken) Hand während des Experiments mit EMG, um sicherzustellen, dass die Hand während des Protokolls vollständig entspannt ist.
  9. Erhalten Sie Corticospinalmessungen mit SpuleM1 (z. B. ca. 24 MdEP) zu unterschiedlichen Zeiten nach cPAS (z. B. 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 min), um den Zeitlichen Verlauf der TMS-induzierten Wirkung auf die Erregbarkeit des Gehirns zu untersuchen.
    HINWEIS: Das hier verwendete experimentelle Protokoll ist in Abbildung 4dargestellt. Die meisten bisherigen Studien haben sich auf das Motorsystem konzentriert, da das MdEP eine zuverlässige Ergebnismaßnahme ist. Allerdings können auch Verhaltensmaße72,73,74 und funktionelle Konnektivitätsfestigkeit mit fMRI92,93 und EEG89,90 nach TMS-Manipulation der assoziativen Plastizität untersucht werden. Diese Methoden können auch für verschiedene kortikale Bereiche angewandt werden, die M1 nicht als kortikales Ziel enthalten.

8. Datenverarbeitung und -analyse

  1. Überprüfen Sie die EMG-Daten offline und verwerfen Sie alle Spuren, die die Muskelaktivität zeigen, bei denen die wurzelmännische quadratische EMG-Aktivität in den Muskeln während der 100 ms unmittelbar vor dem TMS-Puls einen Hintergrundpegel von 10 V überschritten hat, um sicherzustellen, dass die Muskeln in Ruhe59,113waren.
  2. In ähnlicher Weise sollten alle Versuche mit EMG-Aktivität, die mit dem TMS-Impuls während des Bewegungsvorbereitungszeitraums übereinstimmen (z. B. 800 ms Fenster47,49), in TMS-Task-Kontextstudien mit zwei Standortn verworfen werden, um vorausschauende Reaktionen auszuschließen.
  3. Messen Sie für jede MEP-Studie die Peak-to-Peak-Amplitude zwischen den Minimal- und Höchstwerten in mV im Zeitfenster zwischen 50 ms vor und 100 ms nach dem TS105.
  4. Berechnen Sie den Mittelwert der MEP-Amplituden in Millivolt aus den TS-Einzelversuchen und den Paired-Pulse-Tests (CS-TS) für jeden Teilnehmer. Berechnen Sie den Mittelwert für alle Teilnehmer. Melden Sie diese Werte.
  5. Als nächstes normalisieren Sie die mittlere MEP-Amplitude aus paar-Puls-Stimulations-Studien (CS-TS) aus den nicht konditionierten Einzelpuls-Studien (TS allein) für jeden Teilnehmer und Zustand. Geben Sie die MEP-Amplituden als Verhältnis zur TS-Basisbedingung aus.

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  1. Berechnen Sie den Mittelwert für alle Teilnehmer. Melden Sie diese Werte.

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Ergebnisse

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Abbildung 5 zeigt die Größe einer exemplarischen MEP-Antwort, die im FDI-Muskel von TMS für eine unkonditionierte Versuchsreize (TS allein auf M1, blaue Spur) oder konditionierte Reize von PPC (CS-TS, rote Spur) ausgelöst wurde, während der Teilnehmer im Ruhezustand war (oberes Panel) oder eine zielgerichtete Greifaktion zu einem Objekt (unteres Panel) plante. Im Ruhezustand übt das PPC einen hemmenden Einfluss auf ipsilaterales M1 aus, wie die Abnahme der MEP-Amplituden zeigt, die durch ein...

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Diskussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die hier beschriebene dual-site TMS-Methode kann verwendet werden, um funktionelle Wechselwirkungen zwischen verschiedenen kortikalen Bereichen zu untersuchen, die mit dem primären Motorkortex verbunden sind, während ein Teilnehmer im Ruhezustand ist oder eine zielorientierte Aktion plant. Während die Bildgebung des Gehirns korrelativ ist, können Grundkenntnisse aus TMS-Methoden mit zwei Standorten kausale Gehirnverhaltensbeziehungen aufdecken, die mit Veränderungen in kortikalen Schaltkreisen verbunden sind. Darüber hin...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts zu verraten.

Danksagungen

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Diese Arbeit wurde von der University of Michigan: MCubed Scholars Program und school of Kinesiology unterstützt.

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Materialien

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NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Alpha B.I. D50 Spule (beschichtet)Magstim50mm Spule
BrainSight 2.0 SoftwareRogue ResearchNeuronavigation Software
BrainSight rahmenloses stereotaktisches SystemRogue ResearchNeuronavigation Ausrüstung
D702 SpuleMagstim70mm
Spule Discovery MR750Allgemein Elektrisches3,0-T-MRT-Gerät
Einweg-Gehörschutzstöpsel3MSchaumstoff-Ohrstöpsel
EKG-Elektroden 30 mm x 24 mmCoviden-KendallH124SGEinwegelektroden
Vierkanal-IsolationsverstärkerIntronix Technologies Corporation2024FEMG-Verstärker
gGAMMAcapg.tec MedizintechnikEEG-Kopfkappe
Micro1401-3Cambridge Electronic DesignWissenschaftliche Datenaufzeichnungs- und -verarbeitungsmaschine
Nuprep Skin Prep GelWeaver and CompanySkin Prep Schleifgel
Signal v.7Cambridge Electronic DesignSoftware zur Datenerfassung und -analyse
The Magstim BiStim2MagstimTranskranieller magnetischer Stimulator (zwei 2002 Einheiten)

Referenzen

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