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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

Nichtinvasive Hirnstimulation ist ein vielversprechendes Bewertungsinstrument und Behandlung für viele neurologische Erkrankungen, wie Parkinson,-Alzheimer-Krankheit, und Schlaganfall^1,2,3,4. Es gibt anhäufende Beweise, die den Zusammenhang zwischen den Verhaltenserscheinungen neurologischer Erkrankungen und Anomalien der kortikalen Erregbarkeit, Neuroplastizität, kortikokortikalen und kortikosubkortikalen Konnektivität^5,6. Daher können Grundkenntnisse über die Dynamik des Gehirnnetz....

Protocol

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 neurona....

Results

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.......

Discussion

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.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Alpha B.I. D50 Spule (beschichtet)	Magstim		50mm Spule
BrainSight 2.0 Software	Rogue Research		Neuronavigation Software
BrainSight rahmenloses stereotaktisches System	Rogue Research		Neuronavigation Ausrüstung
D702 Spule	Magstim		70mm
Spule Discovery MR750	Allgemein Elektrisches		3,0-T-MRT-Gerät
Einweg-Gehörschutzstöpsel	3M		Schaumstoff-Ohrstöpsel
EKG-Elektroden 30 mm x 24 mm	Coviden-Kendall	H124SG	Einwegelektroden
Vierkanal-Isolationsverstärker	Intronix Technologies Corporation	2024F	EMG-Verstärker
gGAMMAcap	g.tec Medizintechnik		EEG-Kopfkappe
Micro1401-3	Cambridge Electronic Design		Wissenschaftliche Datenaufzeichnungs- und -verarbeitungsmaschine
Nuprep Skin Prep Gel	Weaver and Company		Skin Prep Schleifgel
Signal v.7	Cambridge Electronic Design		Software zur Datenerfassung und -analyse
The Magstim BiStim2	Magstim		Transkranieller magnetischer Stimulator (zwei 2002 Einheiten)