経頭蓋磁気刺激によるヒト運動系における機能的特異的神経経路の測定と操作

Summary

この記事では、経頭蓋磁気刺激を用いて機能的に特異的な神経経路を測定し、強化するための新しいアプローチについて説明します。これらの高度な非侵襲的な脳刺激方法論は、脳と行動の関係を理解し、脳障害を治療するための新しい治療法の開発のための新しい機会を提供することができます。

Abstract

脳領域間の相互作用を理解することは、目標指向行動の研究にとって重要である。脳の結合性の機能的神経イメージングは、認知、学習、運動制御などの脳の基本的なプロセスに関する重要な洞察を提供してきました。しかし、このアプローチは、関心のある脳領域の関与に関する因果関係の証拠を提供することはできません。経頭蓋磁気刺激(TMS)は、一過性の脳活動を変更することによってこの限界を克服することができる人間の脳を研究するための強力な、非侵襲的なツールです。ここでは、異なるタスクコンテキストの間に人間の運動システムにおけるコルチコと皮質の相互作用を因果的に調査する2つのコイルを備えたペアパルス、デュアルサイトTMS法を使用して、最近の進歩を強調する。さらに、2つのコイルを持つ皮質刺激の繰り返し対を適用することにより、2つの相互接続された脳領域におけるシナプス効率を一時的に高める皮質対連想刺激(cPAS)に基づく二重部位TMSプロトコルを記述する。これらの方法は、認知運動機能の基礎となるメカニズムのより良い理解を提供するだけでなく、脳回路を調節し、行動を改善するためにターゲットを絞った方法で特定の神経経路を操作するための新しい視点を提供することができます。このアプローチは、脳行動関係のより洗練されたモデルを開発し、多くの神経学的および精神疾患の診断と治療を改善するための効果的なツールであることが証明される可能性があります。

Introduction

非侵襲的脳刺激は、パーキンソン病、アルツハイマー病、脳卒中^{1、2、3、4}などの多くの神経疾患に対する有望な評価ツールおよび治療法です。神経疾患の行動症状と皮質興奮性、神経可塑性、皮質皮質および皮質皮質皮質下接続性^5,6の異常との関係を確立する証拠が蓄積されている。したがって、神経学的状態における脳ネットワークダイナミクスと可塑性に関する基本的な知識は、疾患診断、進行、および治療への応答に関する貴重な洞察を提供することができる。機能的磁気共鳴画像(fMRI)は、健康な脳ネットワークと病気の脳ネットワークの両方における脳と行動の複雑な関係を理解するのに有用なツールであり、ネットワーク視点^7、8、9に基づいて治療を改善する可能性を有する。しかし、fMRIは本質的に相関性があり、脳機能と行動との因果関係を提供できず、また、患者

Protocol

以下の3つのTMSメソッドについて説明します。まず、二重部位経頭蓋磁気刺激(dsTMS)を用いてコルチコ・コルチコ接続性を測定する方法について説明し、参加者は1)安静時(休息状態)または2)物体指向の把握運動を行う(タスク依存)。第二に、皮質対連化刺激(cPAS)法は、機能を強化するために皮質刺激(例えば、後頭頂部および一次運動皮質)を組み合わせることで、制御された方法で2つの脳領域間の相互作用を調節するために記載されている特定の神経経路は、TMSを有し、皮質興奮性の変化を誘発する。各メソッドに対して、代表的なデータ・セットが提供されます。この議定書に記載されているすべての方法は、ヘルシンキ宣言に従ってミシガン大学機関審査委員会によって承認されました。

1. 参加者募集

1. 募集前にTMS 95、96、97、98、99、100^および磁気共鳴画像(MRI)に禁忌を全参加者にスクリーニングします。モータシステムの機能接続性を調べている実験のために右手参加者

Results

図 5は、TMS が FDI 筋肉に引き出した、非条件テスト刺激 (TS 単独から M1、青い痕跡) または PPC (CS-TS、赤いトレース) の調整された刺激のサイズを示しています。安静時、PPCは、PPCの5ミリ秒前にPPC上に送達されるサブスレッショルドCSによって増強されたMEP振幅の減少によって示されるように、ipsilateral M1に対して阻害的影響を及ぼす(トップパネル)。把握作用の調製中に、PPCからの安静時のこのネット阻害ドライブは、ファシリテーション(阻害の放出)に切り替わった。休止時のPPC-M1相互作用とタスクの要求を直接比較するために、MEP振幅を各条件のTS単独試験に正規化し、MEP振幅の比率としてプロットしました。PPC-M1 インタラクションは、オブジェクト指向の把握 (紫色のバー) を計画する際に、休息から容易に行われました。

図 6の上部のパネルは、cPAS プロトコルの管理中の MEP 振幅の変化を示しています。PPC.......

Discussion

ここで説明する二重部位TMS法は、参加者が安静時または目標指向の行動を計画している間、一次運動皮質と相互接続された異なる皮質領域間の機能的相互作用を調査するために使用することができる。脳イメージングは相関的であるが、二重部位TMS法からの基本的な知識は、コルチコ・コルチコ回路の変化に関連する因果的な脳行動関係を明らかにすることができる。さらに、M1と相互接続された領域に適用される2つのTMSコイルとの皮質対連化刺激を採用して、運動制御のための機能的に特定の接続性を強化し、可塑性を誘導する効率を高めることができる。これらの方法を組み合わせることで、これらのTMSプロトコルは、運動システム内の解剖学的、タスク、および時間依存的な方法で、脳領域間の情報フローの基礎となる神経活動を測定し、操作できることを実証する。これは、運動機能への皮質領域の因果関係に関連する異なる仮説をテストする機会を与える。

この観点から、このアプローチは、同様の症状を有する神経学的および精神性患者のシステムレベルでのネットワーク接続性を理解するための不可欠な基盤を提供し、回路機能不全を診断し、治療するためのツールと.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Alpha B.I. D50 coil (コーティング済み)	Magstim		50mm coil
BrainSight 2.0 ソフトウェア	Rogue Research		Neuronavigation software
BrainSight frameless Positiontactic System Rogue	Research		Neuronavigation equiptment
D702 Coil	Magstim		70mm coil
Discovery MR750	General電気		3.0T MRIマシン
使い捨て耳栓	3M		フォーム耳栓
ECG電極30mm x 24mm	Coviden-Kendall	H124SG	使い捨て電極
4チャンネル絶縁アンプ	Intronix Technologies Corporation	2024F	EMGアンプ
gGAMMAcap	g.tec医療工学		EEGヘッドキャップ
Micro1401-3	ケンブリッジ電子設計		科学データレコーダーおよび処理機
Nuprep Skin Prep Gel	Weaver and Company		Skin prep 研磨ジェル
Signal v.7	ケンブリッジ電子設計		データ取得および分析ソフトウェア
Magstim BiStim2	Magstim		経頭蓋磁気刺激装置(20022台)