Articolo metodologico

Misurazione e manipolazione dei percorsi neurali funzionalmente specifici nel sistema motorio umano con stimolazione magnetica transcranica

DOI:

10.3791/60706

⸱

23 febbraio 2020

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

In questo articolo

Sommario

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Questo articolo descrive nuovi approcci per misurare e rafforzare i percorsi neurali funzionalmente specifici con la stimolazione magnetica transcranica. Queste metodologie avanzate di stimolazione cerebrale non invasiva possono fornire nuove opportunità per la comprensione delle relazioni cervello-comportamento e lo sviluppo di nuove terapie per il trattamento dei disturbi cerebrali.

Abstract

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Comprendere le interazioni tra le aree del cervello è importante per lo studio del comportamento diretto agli obiettivi. La neuroimaging funzionale della connettività cerebrale ha fornito importanti informazioni sui processi fondamentali del cervello come la cognizione, l'apprendimento e il controllo motorio. Tuttavia, questo approccio non può fornire prove causali per il coinvolgimento delle aree cerebrali di interesse. La stimolazione magnetica transcranica (TMS) è uno strumento potente e non invasivo per studiare il cervello umano che può superare questa limitazione modificando transitoriamente l'attività cerebrale. Qui, sottolineiamo i recenti progressi utilizzando un metodo TMS a doppio e doppio uso a impulsi accoppiati con due bobine che sonda causalmente le interazioni cortico-corticali nel sistema motorio umano durante diversi contesti di attività. Inoltre, descriviamo un protocollo TMS a doppio sito basato sulla stimolazione associativa accoppiata corticale (cPAS) che migliora transitoriamente l'efficienza sinaptica in due aree cerebrali interconnesse applicando coppie ripetute di stimoli corticali con due bobine. Questi metodi possono fornire una migliore comprensione dei meccanismi alla base della funzione cognitivo-motoria, nonché una nuova prospettiva sulla manipolazione di percorsi neurali specifici in modo mirato per modulare i circuiti cerebrali e migliorare il comportamento. Questo approccio può rivelarsi uno strumento efficace per sviluppare modelli più sofisticati di relazioni cervello-comportamento e migliorare la diagnosi e il trattamento di molti disturbi neurologici e psichiatrici.

Introduzione

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La stimolazione cerebrale non invasiva è uno strumento di valutazione promettente e trattamento per molti disturbi neurologici, come il morbo di Parkinson, il morbo di Alzheimer e l'ictus1,2,3,4. Ci sono prove accumulatrici che stabiliscono la relazione tra le manifestazioni comportamentali delle malattie neurologiche e le anomalie dell'eccitabilità corticale, neuroplasticità, corticocortical e connettività cortico-subcorticale5,6. Pertanto, le conoscenze di base sulle dinamiche della rete cerebrale e la plasticità in condizioni neurologiche possono fornire informazioni preziose sulla diagnosi, la progressione e la risposta alla terapia della malattia. La risonanza magnetica funzionale (fMRI) è uno strumento utile per comprendere le complesse relazioni tra cervello e comportamento in reti cerebrali sane e malate e ha il potenziale per migliorare il trattamento sulla base di una prospettiva di rete7,8,9. Tuttavia, larisonanza magnetica è di natura correlazionale e non può fornire un nesso causale tra la funzione e il comportamento del cervello, né manipolare la connettività funzionale per ripristinare circuiti neurali anomali associati a disturbi comportamentali nei pazienti10,11,12. La stimolazione magnetica transcranica (TMS) può sia misurare causalmente che modulare la funzione e il comportamento del cervello umano nella salute e nella malattia3,13,14,15.

Il TMS è un metodo sicuro e non invasivo per stimolare il cervello umano16,17e può essere utilizzato per indurre e misurare la plasticità18. Questo metodo può far progredire la nostra comprensione delle relazioni causali tra le singole aree cerebrali e il comportamento10,11,12,19e le loro specifiche interazioni funzionali con altri nodi di una rete cerebrale20,21,22,23. Fino ad oggi, la maggior parte degli studi si sono concentrati sul sistema motorio umano, dato che la TMS all'area della mano della corteccia motoria (M1) può produrre potenziali motori (MEP) come letture fisiologiche per i cambiamenti associati al comportamento motorio24, consentendo l'esame di circuiti inibitori ed eccitatori diversi a livello di sistema nel cervello umano25. Recenti progressi utilizzando un approccio TMS test di condizionamento con due bobine mostrano che è possibile misurare le interazioni funzionali tra diverse aree corticali. Nel sistema motorio, gli esperimenti TMS a doppio sito mostrano che gli input provenienti da aree corticali interconnesse con M1 possono cambiare con le esigenze di attività, l'età o la malattia14,26. Il lavoro seminale di Ferbert e colleghi ha scoperto che l'applicazione di uno stimolo di condizionamento a M1 prima di uno stimolo di prova dell'altro M1 può provocare l'inibizione dell'ampiezza dell'euroutente, un fenomeno noto come inibizione interhemispheric a breve intervallo (SIHI)28. Una serie di studi TMS che utilizzano questo approccio hanno anche dimostrato che M1 è fortemente interconnesso con il controlaterale M1, la corteccia premotoria ventrale (PMv), la corteccia premotoria dorsale (PMd), l'area motoria supplementare (SMA), la corteccia sensoriale primaria (S1), corteccia prefrontale dorsolaterale (DLPFC) e corteccia parietale posteriore (PPC) a riposo27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42. È interessante notare che l'effetto della stimolazione da queste aree corticali sull'eccitabilità corticale motoria è anatomicamente, temporalmente e funzionalmente specifico per l'attività cerebrale in corso durante la preparazione di un movimento (dipendente dallo stato e dal contesto43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69). Tuttavia, pochissimi studi che utilizzano Il TMS a doppio sito hanno caratterizzato modelli di connettività cortico-corticale funzionale con disturbi motori e cognitivi in pazienti con disturbi cerebrali70,71,72. Ciò offre l'opportunità di sviluppare nuovi metodi per valutare e trattare i disturbi motori e cognitivi.

Utilizzando questa tecnica, si è anche scoperto che ripetute coppie di TMS corticali applicate alle aree corticali interconnesse con M1 come il contralaterale M168,69,70, PMv76,77,78, SMA71e PPC80,81,82 possono indurre cambiamenti nell'efficienza sinaptica in specifici percorsi neurali basati sul principio Hebbian di tossicità associativa83 ,84,85,86 e migliorare le prestazioni comportamentali72,73,74. Ancora, pochi studi hanno utilizzato questo approccio per studiare la disfunzione del circuito e plasticità nei disturbi neurologici2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96. Resta da dimostrare se rafforzare le vie neurali funzionalmente specifiche con TMS può ripristinare l'attività nei circuiti disfunzionali, o se il rafforzamento prospettico del circuito intatto può aumentare la resilienza97 nelle reti cerebrali che supportano la funzione motoria e cognitiva in tutta la durata della vita e nella malattia. La mancanza di comprensione fondamentale dei meccanismi neurali alla base dei disturbi neurologici e degli effetti della stimolazione su reti cerebrali disfunzionali interconnesse limita il trattamento corrente.

Nonostante la sua capacità, TMS deve ancora diventare una parte standard dell'armamentario delle neuroscienze e degli strumenti clinici per comprendere le relazioni cervello-comportamento, la fisiofisiologia dei disturbi cerebrali e l'efficacia del trattamento. Pertanto, per realizzare il suo potenziale e sostenere la sua applicazione su larga scala, standardizzare i metodi TMS è importante perché è più probabile che aumenti il rigore dei futuri esperimenti TMS e riproducibilità in laboratori indipendenti. In questo articolo viene descritto come TMS può essere utilizzato sia per misurare che per manipolare le interazioni funzionali. In questo caso, descriviamo questa tecnica nel sistema motorio (ad esempio, parieto-motore percorso44) misurando le misure di uscita basate su TMS (ad esempio, i deputati), dove il metodo è meglio compreso. Tuttavia, è importante notare che questo protocollo può anche essere adattato per l'accoppiamento funzionale di altri subcorticali85, cerebellar86,87, e le aree corticali. 73,74,88 Inoltre, tecniche di neuroimaging come EEG89,90,91 e fMRI92,93 possono essere utilizzati per valutare i cambiamenti indotti da TMS in attività e connettività26,94. Concludiamo proponendo che lo studio del coinvolgimento funzionale della connettività corticale a livello di circuito con questi metodi TMS sia in salute che in malattia consente di sviluppare diagnosi mirate e terapie innovative basate su modelli di rete più sofisticati delle relazioni cervello-comportamento.

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Protocollo

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Di seguito sono descritti i tre metodi TMS riportati di seguito. In primo luogo, vengono descritti due metodi per misurare la connettività cortico-corticale utilizzando la stimolazione magnetica transcranica a doppio sito (dsTMS) mentre i partecipanti sono 1) a riposo (stato di riposo) o 2) che esegue un movimento reach-to-grasp diretto agli oggetti ( dipendente dall'attività). In secondo luogo, viene descritto un metodo di stimolazione associativa accoppiata corticale (cPAS) per modulare l'interazione tra due aree cerebrali in modo controllato associando stimoli corticali (ad esempio cortici parietali e motori primari) per rafforzare percorsi neurali specifici con TMS e inducono cambiamenti nell'eccitabilità corticale. Viene fornito un set di dati rappresentativo per ogni metodo. Tutti i metodi descritti in questo protocollo sono stati approvati dall'University of Michigan Institutional Review Board in conformità con la Dichiarazione di Helsinki.

1. Reclutamento dei partecipanti

  1. Schermare a tutti i partecipanti eventuali controindicazioni a TMS95,96,97,98,99,100 e risonanza magnetica (MRI) prima del reclutamento. Recluta i partecipanti destri101 per gli esperimenti che studiano la connettività funzionale nel sistema motorio.
  2. Informare ogni partecipante sugli obiettivi, le procedure e i rischi dello studio approvati dal comitato di revisione istituzionale locale. Ottenere il consenso scritto prima di consentire all'individuo di partecipare allo studio.

2. Posizionamento elettromiografico (EMG)

  1. Istruire il partecipante a sedersi comodamente sulla sedia sperimentale con entrambe le braccia sostenute in posizione rilassata. Fornire un poggiamento del mento per i partecipanti durante la TMS per mantenere il movimento della testa al minimo durante la stimolazione.
  2. Pulire la pelle sul muscolo di interesse con un lieve abrasivo. Utilizzando una disposizione degli elettrodi ventre-tendine, posizionare un elettrodo Usa-AgCl usa e getta sul muscolo della pancia e un altro su un punto di riferimento osseo nelle vicinanze per un sito di riferimento su entrambe le mani del partecipante. Ripetere questo passaggio per ogni muscolo di interesse.
  3. Collegare un elettrodo di terra al processo stiloide ulnare. È importante controllare il livello di contatto superficiale degli elettrodi con la pelle per tutta la durata dell'esperimento, perché ciò preclude la qualità impedibile del segnale EMG. Posizionare il nastro sopra l'elettrodo di superficie può migliorare il grado di contatto con la superficie della pelle.
    NOTA: Per le azioni reach-to-grasp i muscoli comuni studiati sono 1) i primi muscoli circolari interoperabili dorsali (FDI), 2) pollici brevis rapitori (APB) e 3) muscoli del digitalizzatore digiti minimi (ADM) del rapitore della mano.
  4. Collegare gli elettrodi di superficie con un amplificatore EMG e un sistema di acquisizione dati. Registrare e memorizzare i segnali EMG dall'amplificatore al computer di raccolta dati con il software EMG per il monitoraggio online e l'analisi offline del segnale EMG. Facoltativamente, amplificare il segnale EMG 1.000x e utilizzare un filtro passa-banda compreso tra 2 Hz e 2,5 kHz, digitalizzato a 5 kHz da un'interfaccia analogica-digitale.

3. Localizzazione di aree cerebrali per TMS mirato

  1. Metodo 1: Localizzazione senza una risonanza magnetica
    1. Utilizzando il marchio 10–20 EEG mark C3, situato approssimativamente sopra la corteccia motoria primaria sinistra (M1), e P3, situata approssimativamente su una parte del giro angolare nella corteccia parietale posteriore sinistra (PPC), sul cuoio capelluto del partecipante. Fare riferimento ai metodi descritti in precedenza102 per passaggi specifici per localizzare le aree cerebrali con il sistema EEG 10-20 (vedere le figure 3 e 4 di Villamar et al.102).
    2. In alternativa, un tappo della testa dell'elettroencefalografia (EEG) può essere utilizzato per approssimare le aree del cervello sul cuoio capelluto. Posizionare un tappo EEG di dimensioni appropriate sulla testa del partecipante e allineare la posizione Cz sul cappuccio con la posizione Cz contrassegnata sul cuoio capelluto del partecipante. Contrassegnare C3 e P3 utilizzando il tappo.
      NOTA: la localizzazione senza la risonanza magnetica di un individuo potrebbe essere imprecisa103. Pertanto, la neuronavigazione basata sulla risonanza magnetica è fortemente raccomandata per aumentare la precisione e l'affidabilità del targeting del TMS. Questo può potenzialmente portare a una minore variabilità negli effetti collaterali indotti da TMS.
  2. Metodo 2: Utilizzo di una risonanza magnetica
    1. Prima della sessione TMS, ottenere la risonanza magnetica strutturale (T1) del partecipante. Carica la scansione su un sistema di neuronavigazione.
    2. Creare una ricostruzione tridimensionale della sovrapposizione del cervello e della pelle utilizzando il software di neuronavigazione. Posizionare marcatori sui punti di riferimento anatomici sulla punta del naso, nasion, inion e le tacche preauricolari di entrambe le orecchie. Non usare il trago in quanto può spostarsi quando vengono inseriti tappi per le orecchie.
    3. Individuare la manopola della mano, il punto di riferimento anatomico che corrisponde a M1104, nel giro precentrale sinistro. Posizionare un indicatore di traiettoria a questo punto con il sistema di neuronavigazione. Questo punto deve essere allineato a 45 gradi dalla linea medianastra e approssimativamente perpendicolare al solco centrale. Registrare e nominare il punto di riferimento anatomico con il sistema di neuronavigazione (Figura 1).
    4. Individuare l'area non motoria di interesse (ad esempio, sopra l'area del solco intraparietale anteriore in PPC). Posizionare un secondo indicatore di traiettoria su questo punto di riferimento anatomico. Registrare e denominare la posizione con il sistema di neuronavigazione (Figura 1).
  3. Eseguire la registrazione della bobina e della testa con il sistema di tracciamento
    1. Calibrare entrambe le bobine TMS con il blocco di calibrazione separatamente utilizzando il sistema di neuronavigazione.
    2. Posizionare il tracker head in modo sicuro sulla testa del partecipante in modo che il tracker sia visibile per tutta la durata dell'esperimento.
    3. Coregistrare i punti di riferimento anatomici sulla testa del partecipante al sistema di neuronavigazione. Se una risonanza magnetica non è stata ottenuta dal partecipante, utilizzare un modello di risonanza magnetica presso l'Istituto Neurologico di Montreal.
      NOTA: È importante non applicare troppa forza con il puntatore sulla pelle del partecipante per evitare disagi e imprecisioni durante la registrazione. Può essere utile controllare regolarmente durante l'esperimento che il tracker della testa non si sia spostato. Queste procedure garantiscono precisione quando si applica la bobina TMS ad un'area di destinazione per la stimolazione durante l'esperimento.

4. Localizzazione della posizione ottimale della bobina TMS e determinazione delle soglie

NOTA: In questo esperimento, la bobinaM1 si riferisce alla bobina utilizzata per fornire stimolazione a M1, mentre CoilTwo si riferisce alla bobina utilizzata per fornire stimolazione all'altra area corticale di interesse (ad esempio, corteccia parietale posteriore). La soglia su M1 deve essere determinata per la CoilDue per calcolare la potenza massima dello stimolatore (MSO) utilizzata su aree non motorie. I valori di soglia motori devono essere segnalati per consentire confronti e riproducibilità tra gli esperimenti.

  1. Localizzazione e sotsoglia con coildue
    1. Posizionare il centro della CoilTwo sulla posizione di destinazione M1 identificata nella sezione precedente per indurre una direzione corrente anteriore-posteriore nel cervello.
    2. Per trovare la posizione ottimale per l'attivazione del muscolo bersaglio, fornire impulsi a M1 al 30% dell'MSO della macchina. Osservare se la stimolazione emanata produce un contraglio muscolare e determinare l'ampiezza del motore evocato potenziale (MEP) registrato con gli elettrodi EMG dall'attività muscolare visualizzata dal sistema di acquisizione dei dati.
    3. Se un eurodeputato o una contrazione muscolare visibile non viene osservata, continuare ad aumentare la produzione dello stimolatore del 5% di incrementi. Potrebbe essere necessario regolare la posizione, la rotazione, il passo e l'imma di una bobina TMS per ottimizzare l'ampiezza dell'eurodeputato. Ripetere l'operazione fino a quando non viene osservata una risposta.
    4. Abbassare l'intensità in modo graduale all'intensità più bassa che produce almeno 5 risposte MEP su 10 con un'ampiezza di 50 DOLLARI mentre il partecipante è a riposo97,98,105. Questa è definita come la soglia del motore a riposo (RMT).
    5. Assicurarsi per la durata della sessione di soglia che entrambe le mani sono in posizione di riposo con entrambe le braccia e le mani sostenute con cuscini.
    6. Fornire feedback visivi o uditivi in tempo reale dell'attività muscolare da EMG (ad esempio, su un monitor o un altoparlante) durante la sessione, soprattutto se c'è un'eccessiva attività muscolare (ad esempio, popolazioni adulte più anziane).
    7. Chiedere continuamente ai partecipanti i livelli di comfort.
      NOTA: è importante che tutte le procedure descritte in precedenza siano eseguite separatamente e ripetute per ciascuna bobina TMS per determinare i parametri specifici utilizzati nell'esperimento per le diverse bobine di dimensioni (ad esempio, localizzazione della posizione ottimale della bobina TMS e determinazione intensità di stimolazione per la soglia motoria). È anche importante che l'intervallo tra gli impulsi TMS è >5 s per evitare di indurre cambiamenti nell'eccitabilità corticale.
  2. Localizzazione e soglia con CoilM1
    1. Ripetere i passaggi descritti in precedenza per trovare la posizione ottimale di stimolazione con la bobinaM1.
    2. Determinare l'intensità stimolatore più bassa necessaria per generare eurodeputati di 1 mV in 5 delle 10 prove nel muscolo della mano bersaglio quando il muscolo è completamente rilassato. Contrassegnare e registrare la posizione della CoilM1 utilizzando il sistema di neuronavigazione.

5. TMS a doppio sito (stato di riposo)

  1. Utilizzare due bobine a forma di figura-8 (ad esempio, CoilM1 e CoilTwo) collegate a due singoli stimolatori TMS (ad esempio, due unità Magstim 2002). Consegnare gli stimoli di prova (TS) su M1 con CoilM1 (ad esempio, Bobina a forma di figura 8, diametro esterno dell'anello è di 7 cm) e gli stimoli di condizionamento (CS) all'altra area di interesse con CoilTwo. (ad esempio, D50 Alpha B.I., diametro esterno di ogni anello è di 5 cm).
  2. Determinare la percentuale dell'intensità MSO per lo stimolo di condizionamento (CS) per coilTwo.
    NOTA: La percentuale dell'intensità MSO è spesso compresa tra 70-140 di RMT e dipenderà dai parametri e dagli obiettivi specifici dell'esperimento (cfr. tabella 3 di Lafleur et al.14). Per questo esperimento, il CS è stato fissato al 90% di RMT, simile ai parametri utilizzati altrove35,44,60.
  3. Per lo stimolo di prova (TS), utilizzare l'intensità precedentemente determinata che suscita ampiezze MEP di 1 mV nel muscolo della mano quiescente mirato.
  4. Impostare l'intervallo interstimolante preciso (ISI) tra CS e TS.
  5. Utilizzare il software di controllo fornito o il controllo esterno tramite impulsi TTL per controllare l'ISI per i due impulsi. L'ISI varia spesso da 4 a 20 ms (cfr. tabella 1 di Lafleur et al.14). Per questo esperimento, il CS a PPC ha preceduto il TS a M1 da un ISI di 5 ms.
  6. Utilizzando uno script di codifica personalizzato, generare in ordine casuale le prove TMS a impulso singolo (solo TS) e le prove TMS a impulsi accoppiati (CS-TS) presso l'ISI specificato.
  7. Posizionare CoilM1 sulla M1 sinistra e posizionare la CoilDue rispetto all'altra area di interesse.
  8. Consegna le prove TS da solo con CoilM1. Per le prove a impulsi accoppiati (CS-TS), consegnare il CS con CoilTwo seguito dal TS alla CoilM1 alle ISI predeterminate. Ciò è illustrato nella Figura 2. Ripetere un minimo di 12 prove per ogni condizione. Consegnare il TS almeno 1 s dopo l'inizio del processo per raccogliere l'attività di prestimulo EMG. Utilizzare una sweep di acquisizione dati di 4 s per ogni prova seguita da un intervallo interprocesso di 1 s.
  9. Se necessario, regolare leggermente le posizioni della bobina TMS per adattare il posizionamento di entrambe le bobine sulle posizioni mirate selezionate sulla testa del partecipante. Regolare e registrare la nuova posizione di CoilM1 e CoilTwo utilizzando il sistema di neuronavigazione di conseguenza.
  10. Utilizzare il pulsante di attivazione sulla macchina TMS per il software di controllo fornito o lo script di codifica personalizzato dal controller esterno per fornire gli impulsi TMS programmati.
    NOTA: per questo esperimento, sono stati utilizzati un sistema di acquisizione dati (ad esempio, CED Micro 1401) e un pacchetto software (ad esempio, Signal version 7) per generare stimoli, acquisire dati, controllare l'apparecchiatura esterna ed eseguire l'analisi. Gli script di codifica personalizzati utilizzati per eseguire e analizzare i dati degli esperimenti sono disponibili dall'autore corrispondente.

6. TMS a doppio sito (contesto attività)

NOTA: TMS dual-site può essere utilizzato anche per verificare se la connettività funzionale inattivi può essere modulata da diversi contesti di attività.

  1. Seguire lo stesso metodo descritto nella sezione precedente per esaminare le interazioni funzionali tra diverse aree corticali interconnesse a M1, ma durante la fase preparatoria di un'attività che coinvolge la rete (ad esempio, durante il piano d'azione per una presa).
  2. Determinare il corso temporale e un'area corticale di interesse (ad esempio, PPC) per studiare le interazioni funzionali con M1 durante la preparazione di un piano di movimento complesso (ad esempio, impugnatura di precisione basata su oggetti o presa a mano intera43,44,45,46,47,48,49,106) per i muscoli selettivi della mano.
  3. Utilizzando uno script di codifica su misura, generare in ordine casuale la tempistica delle sole prove di TS e delle prove a impulsi accoppiati (CS-TS) in una determinata ISI dopo il segnale "GO" durante il periodo di reazione (fase di piano) in modo che le registrazioni MEP vengano raccolte prima del movimento avvio (periodo di premovimentazione) per l'attività.
  4. Fornire sonde TMS (solo TS) o TMS (CS-TS) a impulsi a impulsi incrociati tra 50 e 800 ms dopo il cue 'GO'47,49 durante il piano d'azione dei movimenti complessi della mano. Vedere Figura 3 per la temporizzazione di una versione di valutazione relativa agli eventi per questo esperimento. Gli script di codifica personalizzati utilizzati per eseguire la temporizzazione delle prove relative agli eventi sono disponibili dall'autore corrispondente.
    1. Prima della sessione di test con TMS, chiedere al partecipante di eseguire il compito per un minimo di 50 prove di pratica per stabilire un tempo di reazione coerente. Incoraggiare il partecipante a porre domande sull'attività per garantire prestazioni affidabili durante la sessione di test con TMS.
    2. Utilizzare lo script di codifica su misura per fornire tutte le combinazioni di TMS a impulso singolo (TS) o TMS a impulsi accoppiati (CS-TS) e attività (ad esempio, afferrare un piano più piccolo o afferrare un oggetto inferiore più grande) durante il periodo di tempo di reazione (fase di piano) in modo che le registrazioni MEP siano raccolti prima dell'inizio effettivo del movimento.

7. Stimolazione Associativa associata corticale (cPAS)

NOTA: Questo protocollo comporta la fornitura di coppie di impulsi monofasici a due diverse aree corticali per brevi periodi per indurre cambiamenti specifici del percorso nella forza sinaptica tra le connessioni all'interno del cervello umano. Questo approccio si basa sui principi hebbiani della plasticità dipendente dai tempi di picco107,108,109,110. Simile ai metodi TMS a doppio sito, il cPAS viene fornito con due macchine TMS collegate a due singole bobine TMS su due diverse aree corticali (ad esempio, PPC e M1).

  1. Utilizzando uno script di codifica personalizzato, generare 100 coppie di stimoli a 0,2 Hz (8,3 min di durata ciascuno). Per la condizione sperimentale di cPASDue-M1, consegnare i primi stimoli sull'area non motoristica (ad esempio, PPC) con CoilTwo con un'intensità di impulso specificata (ad esempio, 90% RMT) per 5 ms prima del secondo stimolo sopra M1 con CoilM1 con un'intensità di impulso che suscita un'ampiezza MEP di 1 mV nel muscolo della mano bersaglio.
  2. È importante controllare per: 1) direzionalità della connettività (CTRLM1 - Due); 2) temporizzazione (CTRLISI -500ms); e 3) sito di stimolazione (CTRL sito di controllo)in sessioni separate. Per alcuni esempi, vedere72,74,111,112. Gli script di codifica personalizzati per ogni condizione cPAS sono disponibili dall'autore corrispondente. I parametri di stimolazione (ad esempio, intensità e ISI) possono essere regolati per diverse aree corticali. Si riferiscono alla tabella 2 di Lafleur etal.
  3. Utilizzare le procedure descritte nelle sezioni precedenti per guidare la posizione precisa delle bobine TMS.
  4. Ottenere misurazioni corticospinali di base con CoilM1 (ad es.
  5. Randomizzare i partecipanti a uno dei quattro gruppi di intervento: 1) cPAS Due - M1; 2) CTRLM1 - Due; 3) CTRLISI-500ms; 4) CTRL Sito di controllo: M1.
  6. Per questo esperimento è stata testata solo la condizione sperimentale di cPAS Due-M1 e il PPC è stato utilizzato come area di interesse. Quando si eseguono più sessioni sullo stesso partecipante, è importante che ogni sessione sperimentale sia separata da almeno 48 h in un ordine casuale per evitare effetti di crossover. È inoltre importante ripetere le sessioni all'interno di ogni partecipante alla stessa ora del giorno per controllare la vigilanza.
  7. Utilizzare lo script di codifica personalizzato per fornire la condizione cPAS specificata.
  8. Monitorare l'attività muscolare dell'altra mano (a sinistra) durante l'esperimento con EMG per assicurarsi che la mano sia completamente rilassata durante il protocollo.
  9. Ottenere misurazioni corticospinali con CoilM1 (ad esempio, circa 24 deputati) in momenti diversi dopo il cPAS (ad esempio, 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 min) per esaminare il corso temporale dell'effetto indotto da TMS sull'eccitabilità cerebrale.
    NOTA: il protocollo sperimentale utilizzato di seguito è illustrato nella figura 4. La maggior parte degli studi finora si sono concentrati sul sistema motorio perché l'eurodeputato è una misura affidabile dei risultati. Tuttavia, possono essere studiate anche le misure comportamentali72,73,74 e la resistenza della connettività funzionale con fMRI92,93 ed EEG89,90 a seguito della manipolazione TMS della plasticità associativa. Questi metodi possono anche essere adottati per diverse aree corticali che non includono M1 come bersaglio corticale.

8. Elaborazione e analisi dei dati

  1. Ispezionare visivamente i dati EMG offline e scartare eventuali tracce che mostrano l'attività muscolare in cui l'attività quadrata eMG media radice nei muscoli ha superato un livello di fondo di 10 v durante i 100 ms immediatamente prima dell'impulso TMS per garantire che i muscoli fossero ariposo 59,113.
  2. Allo stesso modo, eliminare eventuali prove con attività EMG che coincidono con l'impulso TMS durante il periodo di preparazione del movimento (ad esempio, 800 ms finestra47,49) in prove di contesto di attività TMS a doppio sito per escludere le risposte.
  3. Per ogni prova MEP, misurare l'ampiezza picco-picco tra i valori minimo e massimo in mV nell'intervallo di tempo compreso tra 50 ms prima e 100 ms dopo TS105.
  4. Calcolare la media delle ampiezze MEP in millivolt dalle sole prove di TS e le prove a impulsi accoppiati (CS-TS) per ogni partecipante. Calcolare la media tra tutti i partecipanti. Segnalare questi valori.
  5. Successivamente, normalizzare l'ampiezza media dell'MEP dalle prove di stimolazione a impulsi accoppiati (CS-TS) dalle prove a impulsi singoli (TS) incondizionate per ogni partecipante e condizione. Esprimere le ampiezza MEP come rapporto con la condizione TS di base.

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  1. Calcolare la media tra tutti i partecipanti. Segnalare questi valori.

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Risultati

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La figura 5 mostra le dimensioni di una risposta MEP esemplare suscitata nel muscolo FDI da TMS per uno stimolo di prova incondizionato (da TS a M1, traccia blu) o stimoli condizionati da PPC (CS-TS, traccia rossa) mentre il partecipante era a riposo (pannello superiore) o pianificaun'azione di presa diretta dall'obiettivo per un oggetto (pannello inferiore). A riposo, il PPC esercita un'influenza inibitoria sull'ipsilaterale M1, come dimostra la diminuzione delle ampiezze MEP potenziate da ...

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Discussione

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Il metodo TMS a doppio sito descritto qui può essere impiegato per studiare le interazioni funzionali tra diverse aree corticali interconnesse con la corteccia motoria primaria mentre un partecipante è a riposo o sta pianificando un'azione mirata. Mentre l'imaging cerebrale è correlato, le conoscenze di base dei metodi TMS a doppio sito possono rivelare relazioni causali cervello-comportamento associate ai cambiamenti nei circuiti cortico-corticali. Inoltre, la stimolazione associativa accoppiata corticale con due bobine...

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Dichiarazioni

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

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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

Questo lavoro è stato sostenuto dall'Università del Michigan: MCubed Scholars Program e School of Kinesiology.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Bobina Alpha B.I. D50 (rivestita)Bobina Magstimda 50 mm
Software BrainSight 2.0 SoftwareRogue ResearchSoftware di neuronavigazione
BrainSight Sistema stereotassico framelessAttrezzatura di neuronavigazioneRogue Research
D702 BobinaMagstimbobina da 70 mm
Discovery MR750Generale Macchina per risonanza magnetica elettrica
Tappi per le orecchie monousoTappi per le orecchie in schiuma3M
Elettrodi ECG 30 mm x 24 mmCoviden-KendallH124SGElettrodi monouso
Amplificatore isolato a quattro canaliIntronix Technologies CorporationAmplificatore EMG2024F
gGAMMAcapg.tec Medical EngineeringCappuccio
Micro1401-3Cambridge Electronic DesignRegistratore ed elaboratore di dati scientifici
Nuprep Skin Prep Gel Weaverand CompanyGel abrasivo per la preparazione della pelle
Signal v.7Cambridge Electronic DesignSoftware di acquisizione e analisi dei dati
Magstim BiStim2MagstimStimolatore magnetico transcranico (due unità 2002)
3.0Tper testa EEG

Riferimenti

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