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Neuroscience

경두개 자기 자극을 통해 인간 모터 시스템의 기능적으로 특정신경 경로 측정 및 조작

doi: 10.3791/60706 Published: February 23, 2020

Summary

이 기사에서는 경두개 자기 자극을 통해 기능적으로 특정 신경 경로를 측정하고 강화하는 새로운 접근법을 설명합니다. 이러한 고급 비침습적 뇌 자극 방법론은 뇌-행동 관계의 이해와 뇌 질환을 치료하는 새로운 치료법의 개발을 위한 새로운 기회를 제공할 수 있습니다.

Abstract

뇌 영역 간의 상호 작용을 이해하는 것은 목표 지향적 인 행동의 연구에 중요합니다. 뇌 연결의 기능적 신경 이미징은 인지, 학습 및 운동 제어와 같은 뇌의 기본 과정에 대한 중요한 통찰력을 제공했습니다. 그러나, 이 접근은 관심의 두뇌 지역의 관련을 위한 인과적인 증거를 제공할 수 없습니다. 경두개 자기 자극 (TMS)은 뇌 활동을 일시적으로 수정하여 이러한 한계를 극복 할 수있는 인간의 뇌를 연구하기위한 강력하고 비 침습적 인 도구입니다. 여기에서는 서로 다른 작업 컨텍스트 동안 인간 모터 시스템에서 피질 피질 상호 작용을 인과적으로 프로브하는 두 개의 코일을 사용하여 쌍펄스, 이중 사이트 TMS 방법을 사용하여 최근의 발전을 강조합니다. 또한, 우리는 피질 쌍을 이루는 연관 자극 (cPAS)에 근거를 둔 이중 사이트 TMS 프로토콜을 설명합니다 2개의 코일과 피질 자극의 반복된 쌍을 적용해서 두 개의 상호 연결된 두뇌 지역에 있는 시냅스 효율성을 일시적으로 향상시냅스 효율성을 향상합니다. 이 방법은 두뇌 회로를 조절하고 행동을 향상시키기 위하여 표적으로 한 방식으로 특정 신경 통로를 조작에 대한 새로운 관점 뿐만 아니라 인지 모터 기능의 근본적인 기계장치의 더 나은 이해를 제공할 수 있습니다. 이 접근은 두뇌 행동 관계의 더 정교한 모형을 개발하고 많은 신경학상 및 정신 장애의 진단 그리고 처리를 향상하는 효과적인 공구일 수 있습니다.

Introduction

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비침습적 뇌 자극은 파킨슨병, 알츠하이머병,뇌졸중1,2,3,4와같은 많은 신경 질환에 대한 유망한 평가 도구 및 치료법이다. 신경 질환의 행동 징후와 피질 흥분성, 신경 가소성, 피질 피질 및 피질 피질 피질 피질연결성5,6의이상 사이의 관계를 확립하는 증거가 축적되어 있습니다. 따라서 신경 학적 조건에서 뇌 네트워크 역학 및 가소성에 대한 기본 지식은 질병 진단, 진행 및 치료에 대한 반응에 대한 귀중한 통찰력을 제공 할 수 있습니다. 기능성 자기공명영상(f MRI)은 건강하고 병들인 뇌망 모두에서 뇌와 행동 사이의 복잡한 관계를 이해하는 데 유용한 도구이며네트워크 관점7,8,9에기초하여 치료를 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 그러나, fMRI는 본질적으로 상관관계가 있고 뇌 기능과 행동 사이의 인과관계를 제공할 수 없으며, 환자10,11,12의행동 장애와 관련된 비정상적인 신경 회로를 복원하기 위한 기능적 연결을 조작할 수 없다. 경두개 자기 자극 (TMS)은 인과 관계로 측정하고 건강과 질병3,13,14,15에서인간의 뇌 기능과 행동을 조절 할 수 있습니다.

TMS는 인간의 뇌를 자극하는 안전하고 비침습적 인 방법입니다.16,17가소성을 유도하고 측정하는 데 사용할 수 있습니다.18. 이 방법은 개별 적인 두뇌 영역 과 행동 사이 인과 관계의 우리의 이해를 진전시킬 수 있습니다10,11,12,19뇌 네트워크의 다른 노드와의 특정 기능 적 상호 작용20,21,22,23. 현재까지 대부분의 연구는 모터 피질 (M1)의 손 영역에 TMS가 모터 행동과 관련된 변화에 대한 생리적 판독으로 모터 유발 전위 (MEP)를 생성 할 수 있다는 점을 감안할 때 인간의 운동 시스템에 초점을 맞추고 있습니다.24, 인간의 뇌의 시스템 수준에서 다른 억제 및 흥분성의 회로의 검사를 허용25. 2개의 코일을 이용한 컨디셔닝 테스트 TMS 접근법을 이용한 최근의 발전은 상이한 피질 영역 들 간의 기능적 상호작용을 측정할 수 있음을 보여준다. 모터 시스템에서 이중 사이트 TMS 실험은 M1과 상호 연결된 피질 영역의 입력이 작업 요구, 연령 또는 질병에 따라 변경될 수 있음을 보여줍니다.14,26. Ferbert와 동료에 의한 정액 작용은 다른 M1의 시험 자극 이전에 M1에 컨디셔닝 자극을 적용하면 MEP 진폭의 억제를 초래할 수 있다는 것을 발견했습니다, 짧은 간격 간 반구 적 억제로 알려진 현상 (SIHI)28. 이 접근법을 이용한 다수의 TMS 연구는 M1이 반대측 M1, 복부 전운동 피질(PMv), 등쪽 전운동 피질(PMd), 보조 운동 영역(SMA), Pre-SMA, 1차 감각 피질(S1)과 강하게 상호 연결된다는 것을 보여주었습니다. 등측 전두엽 피질 (DLPFC), 그리고 후방 정수리 피질 (PPC) 휴식27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42. 흥미롭게도, 운동 피질 흥분성에 대한 이러한 피질 영역에서 자극의 효과는 해부학적으로, 시간적으로, 그리고 운동 준비 중에 진행중인 뇌 활동에 기능적으로 특이적입니다 (상태 및 상황에 따라 의존적43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69). 그러나, 이중 사이트 TMS를 사용하여 아주 몇몇 연구 결과는 두뇌 무질서를 가진 환자에 있는 모터 및 인식 손상과 기능적인 피질 피질 연결의 패턴을 특징으로 했습니다70,71,72. 이것은 모터 와 인지 장애를 평가하고 취급하기 위한 새로운 방법을 개발하는 기회를 줍니다.

이 기술을 사용하여, 또한 대측 M168,69, 70,PMv76,77,78,SMA71,및 PPC80,81,82와 같은 M1과 상호 연결된 피질 영역에 적용된 피질 TMS의 반복쌍이 Hebb의80,81,82에 기초하여 특정 신경 통로의 변화를 유도할 수 있다는 것을 발견되었습니다. ,84,85,86 및 행동 성능향상 72,73,74. 아직도, 몇몇 연구 결과는 신경장애에있는 회로 그리고 가소성 역기능을 공부하기 위하여 이 접근을 이용했습니다2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96. TMS를 사용하여 기능적으로 특정 신경 경로를 강화하는 것이 기능 장애 회로의 활동을 복원할 수 있는지, 또는 손상되지 않은 회로의 장래 강화가 수명 및 질병에 걸쳐 모터 및 인지 기능을 지원하는 뇌 네트워크의 탄력성97을 증가시킬 수 있는지 여부를 보여 야 합니다. 신경 장애의 근본적인 이해의 부족 및 상호 연결 된 기능 장애 뇌 네트워크에 자극의 효과 현재 치료를 제한.

그 능력에도 불구하고, TMS는 아직 뇌 행동 관계, 뇌 질환의 병리생리학 및 치료의 효과를 이해하기위한 신경 과학 및 임상 도구의 armamentarium의 표준 부분이 될 수 있습니다. 따라서 잠재력을 실현하고 대규모 응용프로그램을 지원하기 위해 TMS 방법을 표준화하는 것은 독립적인 실험실 전체에서 향후 TMS 실험의 엄격함과 재현성을 증가시킬 가능성이 높기 때문에 중요합니다. 이 문서에서는 TMS를 사용하여 기능 상호 작용을 측정하고 조작하는 방법을 설명합니다. 여기서, 우리는 TMS 기반 출력 측정값(예를 들어, MEP)을 측정하여 모터 시스템(예를 들어, parieto-motor pathway44)에서이 기술을 설명하며, 여기서 그 방법이 가장 잘 이해된다. 그러나, 이 프로토콜은 또한 다른 피질85,소뇌86,87및 피질 영역의 표적 기능 적 결합에 적응될 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 73,74,88 또한, EEG89,90, 91 및 fMRI92,93과 같은 신경 이미징 기술은 TMS 유발 활동 및 연결성 변화를 평가하는데 사용될 수 있다26,94. 우리는 건강과 질병 둘 다에 있는 이 TMS 방법과 회로 수준 피질 연결의 기능적인 관련의 연구 결과가 두뇌 행동 관계의 더 정교한 네트워크 모형에 근거를 둔 표적으로 한 진단 그리고 혁신적인 치료를 개발하는 것을 가능하게 한다는 것을 건의해서 결론을 내립니다.

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Protocol

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다음 세 가지 TMS 방법은 아래에 설명되어 있습니다. 첫째, 두 가지 방법은 이중 사이트 경두개 자기 자극 (dsTMS)을 사용하여 피질 피질 연결을 측정하는 데 설명되어 있으며 참가자는 1) 휴식 상태 (휴식 상태) 또는 2) 개체 지향 도달 - 투 - 파악 운동을 수행하는 동안 ( 작업에 따라 다름). 둘째, 피질 쌍을 이루는 연관 자극 (cPAS) 방법은 기능적 강화를 위해 피질 자극 (예를 들어, 후방 정수리 및 1 차 모터 코르티제)를 페어링하여 통제 된 방식으로 두 뇌 영역 사이의 상호 작용을 조절하는 것으로 설명됩니다. TMS와 특정 신경 통로 피 질 흥분성의 변화를 유도. 각 방법에 대해 대표 데이터 집합이 제공됩니다. 이 프로토콜에 설명된 모든 방법은 헬싱키 선언에 따라 미시간 대학 기관 검토 위원회의 승인을 받았습니다.

1. 참가자 모집

  1. 모집 전에 TMS95,96,97,98,99,100 및 자기 공명 영상 (MRI)에 대한 금기 사항을 모든 참가자를 선별하십시오. 모터 시스템의 기능적 연결을 조사하는 실험을 위해 오른손잡이참가자(101)를 모집합니다.
  2. 각 참가자에게 지역 기관 검토 위원회가 승인한 연구 목표, 절차 및 위험에 대해 알립니다. 개인이 연구에 참여하도록 허용하기 전에 서면 동의를 얻으라.

2. 근전도 (EMG) 전극 배치

  1. 참가자에게 두 팔을 편안한 자세로 지지한 채 실험의자에 편안하게 앉도록 지시한다. TMS 기간 동안 참가자들이 자극 중에 머리 움직임을 최소한으로 유지하기 위해 턱 받침대를 제공합니다.
  2. 가벼운 연마제로 관심 있는 근육위로 피부를 깨끗하게 하십시오. 배힘줄 전극 배열을 사용하여, 복근에 일회용 Ag-AgCl 전극 을 놓고 참가자의 양손에 참조 사이트에 대한 근처의 뼈 랜드 마크에 다른. 관심 있는 각 근육에 대해 이 단계를 반복합니다.
  3. 지상 전극을 척골 스타일로이드 공정에 연결합니다. 이는 EMG 신호의 임피던스 품질을 배제하기 때문에 실험 기간 내내 전극과 전극의 표면 접촉 수준을 검사하는 것이 중요합니다. 표면 전극 위에 테이프를 배치하면 피부 표면과의 접촉 정도를 향상시킬 수 있습니다.
    참고 : 일반적인 근육에 대한 도달 - 투 - 파악 작업 연구 1) 첫 번째 등쪽 interosseous (FDI), 2) 납치병 pollicis brevis (APB), 3) 납치자 디지디미니미 (ADM) 손의 근육.
  4. 표면 전극을 EMG 증폭기 및 데이터 수집 시스템과 연결합니다. EMG 신호의 온라인 모니터링 및 오프라인 분석을 위해 EMG 소프트웨어를 사용하여 증폭기에서 데이터 수집 컴퓨터로 EMG 신호를 기록하고 저장합니다. 선택적으로 EMG 신호를 1,000배 증폭하고 아날로그-디지털 인터페이스로 5kHz에서 디지털화된 2Hz와 2.5kHz 사이의 대역 통과 필터를 사용합니다.

3. 표적 TMS를 위한 두뇌 지역화

  1. 방법 1: MRI 스캔 없이 지역화
    1. 10-20 EEG 시스템 마크 C3를 사용하여, 왼쪽 기본 모터 피질 (M1) 및 P3, 참가자의 두피에 왼쪽 후방 정수리 피질 (PPC)의 각 자이러스의 일부에 약 위치. 10-20 EEG 시스템으로 뇌 영역을 국소화하기 위한 특정 단계에 대해 앞서 설명한 방법102를 참조하십시오(Villamar 외102의도면 3 및 4 참조).
    2. 또는 뇌파 검사 (EEG) 헤드 캡을 사용하여 두피의 뇌 영역을 근사화할 수 있습니다. 참가자의 머리에 적절한 크기의 EEG 캡을 놓고 캡의 Cz 위치를 참가자의 두피에 표시된 Cz 위치와 정렬합니다. 캡을 사용하여 C3 및 P3을 표시합니다.
      참고 : 개인의 MRI 스캔없이 지역화는 부정확 할 가능성이있다 103. 따라서, MRI 기반 신경 항법은 TMS를 표적으로 하는 정확도 및 신뢰성을 높이기 위하여 강하게 추천됩니다. 이것은 잠재적으로 TMS 유도한 후유증에 있는 더 적은 가변성으로 이끌어 낼 수 있습니다.
  2. 방법 2: MRI 스캔 사용
    1. TMS 세션 전에 참가자의 구조적 MRI(T1)를 얻습니다. 신경 항법 시스템에 스캔을 업로드합니다.
    2. 신경 네비게이션 소프트웨어를 사용하여 뇌와 피부 오버레이의 3차원 재구성을 만듭니다. 코, 나시온, 이니션 및 양쪽 귀의 구개 노치끝에 해부학적 랜드마크에 마커를 놓습니다. 귀마개를 삽입할 때 변할 수 있으므로 트라거스를 사용하지 마십시오.
    3. 왼쪽 중앙 자이러스에서 M1104에해당하는 해부학 적 랜드 마크 인 손 손잡이를 찾습니다. 신경 항법 시스템으로 이 시점에서 궤적 마커를 배치합니다. 이 점은 중증 선에서 45 °를 정렬하고 중앙 황액에 약 수직으로 정렬해야합니다. 신경 항법 시스템으로 해부학적 랜드마크를 기록하고 이름을 지정합니다(그림1).
    4. 관심 있는 비운동 영역(예: PPC의 전방 인트라테리에탈 황액 영역 이상)을 찾습니다. 이 해부학 적 랜드 마크 위에 두 번째 궤적 마커를 놓습니다. 신경 항법 시스템으로 위치를 기록하고 이름을 지정합니다(그림1).
  3. 추적 시스템으로 코일 및 헤드 등록 수행
    1. 신경 항법 시스템을 사용하여 교정 블록으로 두 TMS 코일을 개별적으로 교정합니다.
    2. 실험 기간 내내 트래커가 볼 수 있도록 헤드 트래커를 참가자의 머리에 단단히 고정시다.
    3. 참가자의 머리에 해부학 적 랜드 마크를 신경 항법 시스템에 공동 등록하십시오. 참가자에게서 MRI를 얻지 않은 경우에, 몬트리올 신경학 연구소에서 템플릿 MRI를 이용하십시오.
      참고: 등록을 수행할 때 불편함과 부정확성을 피하기 위해 참가자의 피부에 포인터에 너무 많은 힘을 가하지 않는 것이 중요합니다. 헤드 트래커가 이동하지 않은 것을 실험 과정 전반에 걸쳐 정기적으로 확인하는 것이 유용할 수 있습니다. 이러한 절차는 실험 동안 자극을 위한 대상 영역에 TMS 코일을 적용할 때 정밀도를 보장한다.

4. 최적의 TMS 코일 위치 국소화 및 임계값 결정

참고: 본 실험에서, 코일M1은 M1에 자극을 전달하는 데 사용되는 코일을 말하며, 코일2는 관심있는 다른 피질 영역(예를 들어, 후방 정수리 피질)에 자극을 전달하는 데 사용되는 코일을 말한다. 코일2가 비운동 영역에서 사용되는 최대 자극기 출력(MSO)을 계산하려면 M1 을 초과하는 임계값을 결정해야 합니다. 모터 임계값은 실험 전반에 걸쳐 비교 및 재현성을 허용하도록 보고되어야 합니다.

  1. 코일2로 현지화 및 임계값 지정
    1. 코일2의 중심을 이전 섹션에서 확인된 대상 M1 위치 위에 위치하여 뇌의 후방 전방 전류 방향을 유도합니다.
    2. 대상 근육의 활성화를 위한 최적의 위치를 찾으려면 기계MSO의 30%에서 M1에 펄스를 전달합니다. 전달된 자극이 근육 경련을 생성하는지 여부를 관찰하고 데이터 수집 시스템에 의해 표시되는 근육 활동으로부터 EMG 전극으로 기록된 모터 유발 전위 전위(MEP)의 진폭을 결정합니다.
    3. MEP 또는 눈에 보이는 근육 경련이 관찰되지 않으면 자극기 출력을 5% 증가시다. MEP의 진폭을 최적화하기 위해 TMS 코일의 위치, 회전, 피치 및 요를 조정해야 할 수도 있습니다. 응답이 관찰될 때까지 이 작업을 반복합니다.
    4. 참가자가 나머지97,98,105동안≥50 μV의 진폭으로 10개의 MEP 응답 중 적어도 5개 이상을 생성하는 가장 낮은 강도로 단계별 방식으로 강도를 낮춥습니다. 이것은 휴식 모터 임계값(RMT)으로 정의됩니다.
    5. 임계값 세션 이 기간 동안 양손이 베개로 지지되는 팔과 손을 모두 가지고 휴식 위치에 있는지 확인하십시오.
    6. 세션 내내 EMG(예: 모니터 또는 스피커)의 근육 활동에 대한 실시간 시각 또는 청각 피드백을 제공하며, 특히 과도한 근육 활동(예: 노인 인구)이 있는 경우.
    7. 지속적으로 참가자에게 편안함의 수준에 대해 물어보십시오.
      참고: 위에서 설명한 모든 절차는 각 TMS 코일에 대해 별도로 수행되고 반복되어 서로 다른 크기의 코일 실험에 사용되는 특정 매개 변수를 결정하는 것이 중요합니다(예: 최적의 TMS 코일 위치를 현지화하고 결정하는 것) 모터 임계값에 대한 자극 강도). 또한 TMS 펄스 사이의 간격이 피질 흥분성의 변화를 유도하지 않도록 >5 s인 것이 중요합니다.
  2. 코일M1로 현지화 및 임계값 지정
    1. 코일M1로최적의 자극 위치를 찾기 위해 위에서 설명한 단계를 반복합니다.
    2. 근육이 완전히 이완될 때 대상 손 근육에서 10번의 시험 중 5번에서 ≥1 mV의 MEP를 생성하는 데 필요한 가장 낮은 자극기 강도를 결정합니다. 신경 항법 시스템을 사용하여 코일M1의 위치를 표시하고 기록합니다.

5. 듀얼 사이트 TMS (휴식 상태)

  1. 2개의 도형-8 형 코일(예를 들어, 코일M1 및 코일2)을사용하여 2개의 개별 TMS 자극기(예를 들어, 2개의 Magstim 2002 단위)에 연결한다. 코일 M1(예를 들어, D70² 도형-8모양 의 코일, 루프의 외부 직경은 7 cm)으로M1을 통해 시험 자극(TS)을 전달하고, 컨디셔닝 자극(CS)은 코일2.(예를 들어, 각 루프의 외부 직경은 5 cm)로 관심 있는 다른 영역에 전달한다.
  2. 코일2에대한 컨디셔닝 자극(CS)에 대한 MSO 강도의 백분율을 결정합니다.
    참고: MSO 강도의 백분율은 종종 RMT의 70-140 사이이며 실험의 특정 매개 변수 및 목표에 따라 달라집니다(Lafleur et al.14의표 3 참조). 이 실험에서 CS는 RMT의 90%로 설정되었고, 다른 곳에서 사용되는 매개 변수와 유사하게35,44,60.
  3. 시험 자극(TS)의 경우, 표적 정지 손 근육에서 ~1 mV의 MEP 진폭을 유도하는 이전에 결정된 강도를 사용하십시오.
  4. CS와 TS 사이의 정확한 인터시약 간격(ISI)을 설정합니다.
  5. 제공된 제어 소프트웨어 또는 TTL 펄스를 통해 외부 제어를 사용하여 두 펄스에 대한 ISI를 제어합니다. ISI는 종종 4-20 ms범위입니다 (Lafleur 외14에서표 1 참조). 이 실험에서, Cs to PPC는 5 ms의 ISI에 의해 TS에서 M1로 선행하였다.
  6. 맞춤형 코딩 스크립트를 사용하여 지정된 ISI에서 단일 펄스 TMS 시험(TS 만) 및 페어링 펄스 TMS 시험(CS-TS)을 임의순서로 생성합니다.
  7. 좌측 M1 위에 코일M1을 놓고 코일2를 다른 관심 영역 위에 배치합니다.
  8. 코일M1로TS 단독 시험을 제공합니다. 페어링 펄스(CS-TS) 시험의 경우, CS와 코일2를 전달한 다음 소정의 ISI에서 TS를 코일M1로 전달합니다. 그림 2에나와 있습니다. 각 조건에 대해 최소 12번의 시험을 반복합니다. 시험 시작 후 적어도 1초 의 TS를 전달하여 전자극 EMG 활성을 수집하였다. 각 평가판에 대해 4s 데이터 수집 스윕을 사용하고 1s 간 간격을 사용합니다.
  9. 필요한 경우 참가자의 머리에서 선택한 대상 위치에 두 코일의 배치를 수용하도록 TMS 코일 위치를 약간 조정합니다. 그에 따라 신경 항법 시스템을 사용하여 코일M1 및 코일2의 새로운 위치를 조정하고 기록합니다.
  10. 제공된 제어 소프트웨어의 경우 TMS 컴퓨터의 트리거 버튼 또는 외부 컨트롤러의 사용자 지정 코딩 스크립트를 사용하여 프로그래밍된 TMS 펄스를 제공합니다.
    참고: 이 실험에서는 데이터 수집 시스템(예: CED Micro 1401) 및 소프트웨어 패키지(예: 신호 버전 7)를 사용하여 자극을 생성하고, 데이터를 캡처하고, 외부 장비를 제어하고, 분석을 실행했습니다. 실험에서 데이터를 실행하고 분석하는 데 사용되는 사용자 지정 코딩 스크립트는 해당 작성자로부터 사용할 수 있습니다.

6. 듀얼 사이트 TMS (작업 컨텍스트)

참고: 이중 사이트 TMS를 사용하여 미사용 기능 연결을 다른 작업 컨텍스트에 따라 변조할 수 있는지 여부를 테스트할 수도 있습니다.

  1. M1에 상호 연결된 다른 피질 영역 간의 기능적 상호 작용을 검사하기 위해 위의 섹션에 설명된 동일한 방법을 따르십시오.하지만 네트워크를 참여시키는 작업의 준비 단계(예: 파악을 위한 작업 계획 중).
  2. 선택적 손 근육을 위한 시간 과정 및 피질 영역(예를 들어, PPC)을 결정하여 복잡한 이동 계획을 준비하는 동안 M1과의 기능적 상호작용을 연구한다(예를 들어, 객체 구동 정밀 그립 또는 전손 손 잡기43,44,45,46,47,48,49,106).
  3. 맞춤형 코딩 스크립트를 사용하여, 반응 기간 동안 'GO' 큐 후 주어진 ISI에서 TS 단독 시험 및 페어링 펄스 시험(CS-TS)의 타이밍을 임의로 생성하여 MEP 기록이 이동 전에 수집되도록 한다. 작업에 대한 개시(이동 전 기간)를 입력합니다.
  4. 복잡한 손 움직임의 동작 계획 중에 'GO' 큐47,49 이후 50~800ms 사이의 단일 펄스 TMS(TS 단독) 또는 페어링 펄스 TMS(CS-TS) 프로브를 제공합니다. 이 실험에 대한 이벤트 관련 평가판의 타이밍은 그림 3을 참조하십시오. 이벤트 관련 평가판의 타이밍을 실행하는 데 사용되는 사용자 지정 코딩 스크립트는 해당 작성자로부터 사용할 수 있습니다.
    1. TMS를 사용하여 테스트 세션 전에 참가자가 최소 50회의 연습 시험을 수행하여 일관된 반응 시간을 설정하도록 합니다. 참가자가 TMS를 사용하여 테스트 세션 중에 안정적인 성능을 보장하기 위해 작업에 대해 질문하도록 권장합니다.
    2. 맞춤형 코딩 스크립트를 사용하여 단일 펄스 TMS(TS 단독) 또는 페어링 펄스 TMS(CS-TS) 및 작업(예: 반응 기간 동안 더 작은 상단을 파악하거나 더 큰 하단 물체를 파악)의 모든 조합을 제공하여 MEP 기록이 실제 이동 개시 전에 수집.

7. 피질 쌍을 이루는 연관 자극 (cPAS)

참고: 이 프로토콜은 인간의 두뇌 내의 연결 사이 시 냅 스 강도에 통로 특정 변화를 유도 하기 위해 짧은 기간 동안 두 개의 다른 피 질 영역에 단상 펄스의 쌍을 제공 포함. 이 방법은 스파이크 타이밍 의존 가소성107,108,109,110의Hebbian 원리를 기반으로합니다. 이중 사이트 TMS 방법과 마찬가지로 cPAS는 두 개의 서로 다른 피질 영역(예: PPC 및 M1)에 걸쳐 두 개의 개별 TMS 코일에 연결된 두 개의 TMS 기계와 함께 제공됩니다.

  1. 사용자 지정 코딩 스크립트를 사용하여 0.2Hz(각각 8.3분)에서 100쌍의 자극을 생성합니다. 실험cPAS2→M1 조건의 경우, 코일 M1을 통해 5ms 전에 5ms의 지정된 펄스 강도(예를 들어, 90% RMT)를 가진 코일2와 비운동 영역(예를 들어, PPC)에 대한 첫 번째 자극을 전달하여 타겟 된 손에서 MEP 진폭을 유도하는 펄스 강도를 가진 코일M1을 통해 5 ms.
  2. 제어 하는 것이 중요 하다: 1) 연결의 방향성 (CTRLM1→2); 2) 타이밍 (CTRLISI = 500ms); 및 3) 별도의 세션에서 자극 부위 (CTRL 제어 사이트 →M1). 예는72,74,111,112를참조하십시오. 각 cPAS 조건에 대한 사용자 지정 코딩 스크립트는 해당 작성자로부터 사용할 수 있습니다. 자극 파라미터(예를 들어, 강도 및 ISI)는 상이한 피질 영역에 대해 조절될 수 있다. 가소성 프로토콜의 요약은 Lafleur 외14의 표 2를 참조하십시오.
  3. TMS 코일의 정확한 위치를 안내하기 위해 이전 섹션에서 설명한 절차를 사용합니다.
  4. 코일M1(예: ~24 MEP)으로 기준선 코르티코피날 측정을 가져옵니다.
  5. 참가자를 네 개의 개입 그룹 중 하나에 무작위로: 1) cPAS 2→M1; 2) CTRLM1→2; 3) CTRLISI = 500ms; 4) CTRL 제어 사이트 →M1.
  6. 본 실험을 위해 실험용 cPAS 2→M1 조건만 시험하고 PPC를 관심 영역으로 사용하였다. 동일한 참가자에 대해 여러 세션을 수행할 때, 크로스오버 효과를 방지하기 위해 각 실험 세션이 무작위로 48시간 이상 으로 구분되는 것이 중요합니다. 또한 경보를 제어하기 위해 하루 중 동시에 각 참가자 내에서 세션을 반복하는 것이 중요합니다.
  7. 사용자 지정 코딩 스크립트를 사용하여 지정된 cPAS 조건을 제공합니다.
  8. EMG를 사용하여 실험하는 동안 다른(왼쪽) 손의 근육 활동을 모니터링하여 프로토콜 동안 손이 완전히 완화되었는지 확인합니다.
  9. cPAS 후 상이한 시간(예: 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60분) 코일M1로 코르티코피날 측정을 얻어 TMS 유발 뇌 흥분성에 미치는 영향의 시간 과정을 조사합니다.
    참고: 여기에 사용된 실험 프로토콜은 그림 4에나와 있습니다. MEP는 신뢰할 수 있는 결과 측정이기 때문에 현재까지 대부분의 연구는 모터 시스템에 초점을 맞추고 있습니다. 그러나, 행동 측정72,73,74 및 fMRI92,93 및 EEG89,90 연관 가소성의 TMS 조작에 따른 기능적 연결 강도도 조사될 수 있다. 이러한 방법은 또한 M1을 피질 표적으로 포함하지 않는 상이한 피질 영역에 대해 채택될 수 있다.

8. 데이터 처리 및 분석

  1. EMG 데이터를 오프라인으로 육안으로 검사하고 근육에서 근평균 제곱 EMG 활동이 TMS 펄스 직전 100 ms 동안 10μV의 배경 레벨을 초과하여 근육이 나머지59,113에있는지 확인하는 근육 활동을 보여주는 모든 흔적을 버린다.
  2. 유사하게, 운동 준비 기간 동안 TMS 펄스와 일치하는 EMG 활성을 가진 모든 시험을 폐기한다(예를 들어, 800 ms 윈도우47,49)이중 사이트 TMS 태스크 컨텍스트 시험에서 예상 응답을 배제한다.
  3. 각 MEP 평가판에 대해 TS105이후의 시간 창에서 50ms와 100ms 사이의 시간 창에서 mV의 최소값과 최대값 사이의 피크-피크 진폭을 측정합니다.
  4. TS 단독 시험과 각 참가자에 대한 페어링 펄스(CS-TS) 시험에서 밀리볼트로 MEP 진폭의 평균을 계산합니다. 모든 참가자의 평균을 계산합니다. 이러한 값을 보고합니다.
  5. 다음으로, 각 참가자 및 조건에 대한 무조건 단일 펄스(TS 단독) 시험에서 쌍-펄스 자극(CS-TS) 시험에서 평균 MEP 진폭을 정상화합니다. MEP 진폭을 기준선 TS 조건에 대한 비율로 표현합니다.

Equation 1

  1. 모든 참가자의 평균을 계산합니다. 이러한 값을 보고합니다.

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Representative Results

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도 5는 참가자가 휴식 상태인 동안 PPC(CS-TS, 적색 트레이스)로부터 무조건적인 시험 자극(TS 단독에서 M1, 청색 트레이스) 또는 컨디셔닝된 자극에 대해 TMS에 의해 FDI 근육에서 유도된 예시MEP 반응의 크기를 나타내거나 물체(하단 패널)에 대한 목표 지향적 인 파악 작용을 계획한다. 나머지에서, PPC는 M1(상부 패널)을 통해 Suprathreshold TS 전에 PPC 5 ms 를 통해 전달된 서브 임계값 CS에 의해 강화된 MEP 진폭의 감소에 의해 나타난 바와 같이, ipsilateral M1에 억제 영향을 미친다. 파악 작용의 준비 동안, PPC에서 휴식이 그물 억제 드라이브는 촉진으로 전환 (억제의 방출). 휴식 시간 대 작업 요구 중 PPC-M1 상호 작용을 직접 비교하기 위해 MEP 진폭은 각 조건에 대한 TS 단독 시험으로 정규화되고 MEP 진폭에 대한 비율로 플롯되었습니다. PPC-M1 상호 작용은 객체 지향 손아귀(보라색 막대)를 계획할 때 휴식으로부터 촉진되었습니다.

그림 6의 상단 패널은 cPAS 프로토콜을 투여하는 동안 MEP 진폭의 변화를 보여줍니다. PPC 와 M1의 페어링 된 자극에 의해 유도 된 MEP 진폭은 자극 프로토콜 동안 시간이 지남에 따라 점차적으로 증가하여, parieto 모터 연결, M1 코르티코피날뉴런 또는 둘 다의 수준에서 플라스틱 효과를 시사한다. 도 6의 하단 패널은 cPAS 프로토콜 전후의 M1에 대한 단일 펄스 TMS에 의해 휴식 FDI 근육에서 유도된 MEP 진폭의 변화를 보여줍니다. MEP 진폭의 크기는 cPAS 프로토콜 후 10분 증가하였고, 이는 PPC 및 M1에 대한 피질 자극의 반복된 쌍을 투여한 후 모터 흥분성 후유증이 유도되었다는 것을 시사한다.

Figure 1
그림 1: 왼쪽 반구의 1차 모터 피질(M1, 파란색 기호) 및 후방 정수리 피질(PPC, 빨간색 기호)에 걸쳐 표시된 피질 부위를 가진 전형적인 참가자의 해부학 MRI의 3차원 재구성. TMS를 위한 신경 항법 소프트웨어는 각 도면 8 TMS 코일을 가진 개별적으로 결정된 피질 지역을 표적으로 하기 위하여 이용되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
도 2: 후방 정수리 피질(PPC)과 1차 운동 피질(M1) 사이의 기능적 상호작용을 조사하는 데 사용되는 두 개의 코일(dsTMS)을 이용한 이중 부위, 쌍-펄스 경두개 자기 자극의 회로도 표현(휴식 상태). Cs는 PPC에 적용되어 후속 수퍼라임계값 TS에서 M1에 미치는 영향을 조사했습니다. TMS에 대한 오른쪽 근육 반응의 진폭의 변화는 EMG로 측정됩니다. 이 실험에서 CS 강도는 RMT의 90%였다. TS의 강도는 완화된 FDI 및 ADM에서 ~1 mV 피크-피크의 MEP를 유도하도록 조정되었다. 펄스 사이의 ISI는 5ms. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
그림 3: 도달-파악 이동(작업 컨텍스트) 동안 PPC와 M1 간의 기능적 상호 작용을 조사하는 데 사용되는 dsTMS 접근 방식입니다. LED의 조명은 참가자에게 대상 오브젝트에 가능한 두 가지 우측 동작 중 하나를 계획하도록 지시했습니다: 1) 더 작은 상단 실린더를 잡거나 2) 더 큰 하단 실린더를 잡습니다. 지정된 ISI에서 TS 단독 또는 CS-TS(예를 들어, 5ms)는 반응 기간 동안 'GO' 큐(예를 들어, LED 발병) 후 300ms를 전달하였고, MEP 기록은 실제 이동 개시 전에 수집되었다(점선). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
그림 4: 기능적으로 특정 신경 경로를 강화하는 데 사용되는 피질 쌍 연관 자극 프로토콜 (cPAS)의 회로도. 제1 자극은 코일M1을 사용하여 M1(blue 코일)으로 전달되기 전에 5 ms(예를 들어, PPC, 적색 코일)로 관심 있는 영역에 적용하였다. 피질 자극의 쌍은 0.2 Hz의 주파수에서 전달되었다 (매 5 초마다 한 번) 100 시험 (~ 8.3 분)에 대해 반복. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 5
도 5: 조건없는 테스트 자극(TS 단독, 청색 트레이스) 또는 조건부 자극(CS-TS, 적색 트레이스)에 대한 예시 MEP 트레이스(상단 패널) 및 상황에 따라 달라진(아래 패널) 조건. 막대 그래프는 참가자가 휴식을 취하거나 파악 작업(action)을 수행하는 동안 dsTMS 프로토콜의 MEP 진폭을 보여 준다. 참가자가 휴식 상태일 때(상부 패널), CS-TS(빨간 막대)는 무조건 TS 단독(blue bar)에 비해 MEP(억제)의 평균 진폭을 감소시켰다. 대조적으로, 참가자가 도달-파악 태스크(하단 패널)를 계획했을 때, 평균 MEP 진폭은 TS 단독(blue bar) 시험에 비해 CS-TS(빨간색 막대) 시험에 대해 증가(촉진)되었다. 휴식 조건대 동작 조건에 대한 PPC-M1 상호작용을 직접 비교하기 위해, 쌍-펄스 자극(CS-TS)에 의해 유도된 평균 MEP 진폭은 평균 무조건 MEP 진폭(TS 단독)에 대한 진폭의 비율을 계산하여 정규화되었다. 보라색 막대는 각 조건에 대해 정규화된 MEP 진폭을 나타냅니다. Y = 1은 M1 흥분성(점선)에 대한 CS의 영향을 나타내지 않는 반면, 1보다 높은 비율은 M1 흥분성 증가를 나타내고 비율이 1보다 낮음은 조건부 자극(CS-TS)으로 인해 M1 흥분성이 감소했음을 나타냅니다. 오류 막대는 SEM을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 6
그림 6: cPAS 동안 MEP. 상단 패널은 cPAS의 투여 중에 MEP 진폭이 증가함을 보여준다. 하단 패널은 MEP 진폭에 대한 cPAS 프로토콜의 효과를 보여줍니다. cPAS 개입 후 (빨간 바) 코르티코척추 흥분은 정지 손 근육에서 MEP에 의해 평가된 바와 같이 기준선(밝은 회색 막대)에 비해 10분(어두운 회색 막대) 후에 증가하였다. 빨간색 막대는 페어링된 자극 개입, cPAS(0.2 Hz에서 100쌍, ~8.3분)를 나타낸다. 이것은 cPAS와 parieto 모터 상호 작용을 변조하는 것은 모터 가소성에 있는 일시적인 변경을 유도할 수 있다는 것을 건의합니다. 오류 막대는 SEM을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

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여기에 설명된 이중 사이트 TMS 방법은 참가자가 휴식을 취하거나 목표 지향적 인 행동을 계획하는 동안 기본 모터 피질과 상호 연결된 다른 피질 영역 간의 기능적 상호 작용을 조사하기 위해 사용될 수 있습니다. 두뇌 화상 진찰은 상관관계, 이중 사이트 TMS 방법에서 기본적인 지식은 피질 피질 회로에 있는 변경과 관련되었던 인과 두뇌 행동 관계를 드러낼 수 있습니다. 또한 M1과 상호 연결된 영역에 적용된 두 개의 TMS 코일과 피질 짝을 이루는 연관 자극을 사용하여 이동 제어를 위한 기능적 특정 연결을 강화하고 가소성 유도의 효율성을 높일 수 있습니다. 종합하면, 이러한 방법은 이러한 TMS 프로토콜이 해부학적, 작업 및 운동 시스템 내의 시간 의존적 방식으로 뇌 영역 간의 기본 정보 흐름을 측정하고 조작할 수 있음을 보여줍니다. 이것은 모터 기능에 대한 피질 영역의 인과 적 기여와 관련된 다양한 가설을 테스트 할 수있는 기회를 제공합니다.

이러한 관점에서, 접근법은 또한 유사한 증상을 가진 신경학 및 정신과 환자의 시스템 수준에서 네트워크 연결을 이해하기 위한 필수적인 토대를 제공하고 회로 기능 장애를 진단하고 치료하는 도구로 사용할 수 있습니다. 따라서, 더 많은 연구는 건강 하 고 병에 걸린 두뇌에 뇌 네트워크를 통해 그것의 일반성을 테스트 하는 모터 시스템 외부 다른 피 질 영역을 탐구 하는 것이 중요 하다. 이것은 하나의 뇌 영역에서 TMS에 대한 반응이 다른 영역에 적용 될 때 동일한 생리적 효과를 생성한다고 가정 할 수 없다는 점을 감안할 때 중요한 요소입니다. 또한 이러한 절차는 더 복잡 한 움직임에 확장 될 수 있습니다., 그리고 인식 등 운동 이외의 다른 도메인, 지 각, 그리고 분위기. 실제로, 이중 사이트 TMS 및 cPAS를 이용한 여러 연구는 시각 및 인지 시스템에서 연구의 효과와 타당성을 조사하기 시작했다73,74,88. 중요한 것은, 이것은 모터, 인지 및 정서적 기능에 두뇌 활동을 연결하는 신경 기초의 더 정교한 이해를 개발하는 기회를 줄 것입니다. 그 결과, 향후 임상 설정에서 이러한 프로토콜을 적용하는 것이 유용성을 결정하기 전에 환자 집단의 신경 회로 역학에 대한 견고한 기계론적 지식을 조사하는 것이 중요합니다.

성장하는 증거가 TMS가 파킨슨 병, 알츠하이머 병 및 뇌졸중과 같은 신경 및 정신 장애에서 시냅스 기능 장애 및 가소성을 특성화 할 수있는 새로운 접근법임을 시사하지만, 이들의 임상 적 유용성 평가는 더 큰 규모로 수립되어야 합니다. 더욱이, 현재까지 환자 집단에 있는 모든 일은 참가자가 휴식에 있는 동안 기능 회로에만 집중했습니다. 이중 사이트 TMS를 가진 미래 연구 결과는 환자가 도전할 때, 특히, 변경된 두뇌 역학이 특정 모터, 인식 및 정서에 기여하는 방법을 이해하는 지식 격차를 채우기 위하여 국가 및 업무 의존적인 효력을 고려하는 것이 중요합니다 장애. 중요한 것은, 이 설정은 신경 활동을 기록하고 조작하여 기능적 뇌 회로와 가소성을 비침습적으로 포괄적으로 연구할 수 있는 전례 없는 기회를 허용합니다. 이것은 결국 두뇌 무질서를 위한 새로운 임상 치료로 번역될 수 있습니다.

이러한 임상 적 진보를 기다리는 중요한 첫 번째 단계는 쉽게 배포하고 공유 할 수있는 잘 정의 된 방법론 적 절차를 제공함으로써 독립적 인 실험실에서 TMS 실험의 엄격함과 재현성을 높이는 것입니다. 위에서 설명한 TMS 절차에 대한 다음 지침은 결과의 설계, 구현 및 결론을 표준화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 첫째, 강도, 지속 시간, ISI, 타이밍, 코일 위치 및 해부학 적 위치와 같은 자극 매개 변수는 대규모 테스트 및 응용을 장려하기 위해 여러 독립적 인 실험실에서 동일한 작업 컨텍스트에서 신중하게 문서화되고 반복되어야합니다. 둘째, 뇌 표적은 행동과 관련된 뇌 회로 내에서 뇌 활동을 포착하는 명확한 해부학 및 기능적 기준에 따라 정확하게 정의되어야 합니다. 셋째, 신경 항법은 말했다 뇌 회로를 대상으로 할 때 TMS 코일 배치를 안내하는 데 사용되어야한다. 또한 실험은 가설 구동하고 변화가 자극의 비특이적 효과를 배제하기 위해 putative 대상 네트워크 외부의 작업 컨텍스트 및 제어 뇌 사이트와 선택적으로 관련되도록 하기 위해 두 가지 제어 작업을 모두 사용하는 것이 좋습니다. 넷째, 향후 임상 환경에서 이러한 방법의 진단 정확도 및 치료 효과를 더 잘 알리기 위해, 기본 연구는 TMS 측정 및 조작을 신경 이미징 및 행동 측정과 결합하여 치료의 근본적인 병리학적 변화와 효과를 더 잘 특성화하는 다중 모달 접근법을 사용해야 합니다. 다섯째, 이중 사이트 TMS 방법을 사용하는 개별 반응의 가변성은 개입이 다른 뇌 영역에 최적화 될 수있는 방법에 대한 중요한 정보를 제공 할 수 있기 때문에보고 될 필요가, 개별 병리 학적 메커니즘에 따라 새로운 치료로 이어지는. 마지막으로, 연구자들은 부정적인 결과42를 포함하여 결과를 보고할 때 투명해야 하며, 샘플 크기를 늘리고 보다 효율적인 과학을 촉진하기 위해 해석을 위해 데이터를 공개적으로 사용할 수 있도록 해야 합니다. 이 포괄적인 접근법은 미래의 기초 신경 과학 및 임상 연구를 안내할 수 있는 데이터의 수집 및 분석 모두에서 엄격함과 재현성을 증가시킬 것입니다. 궁극적으로, 이것은 실험 적인 디자인에 있는 개선을 가능하게 하고 표적으로 한 치료를 낙하, 그(것)들 신경학상 과 정신 장애에 있는 이환율 그리고 손상을 감소시킬 것입니다.

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Disclosures

저자는 공개 할 것이 없다.

Acknowledgments

이 작품은 미시간 대학에 의해 지원되었다: MCubed 학자 프로그램 및 운동 학의 학교.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Alpha B.I. D50 coil (coated) Magstim 50mm coil
BrainSight 2.0 Software Rogue Research Neuronavigation software
BrainSight frameless Stereotactic System Rogue Research Neuronavigation equiptment
D702 Coil Magstim 70mm coil
Discovery MR750 General Electric 3.0T MRI machine
Disposable Earplugs 3M Foam earplugs
ECG Electrodes 30mm x 24mm Coviden-Kendall H124SG Disposable electrodes
Four Channel Isolated Amplifier Intronix Technologies Corporation 2024F EMG amplifier
gGAMMAcap g.tec Medical Engineering EEG head cap
Micro1401-3 Cambridge Electronic Design Scientific data recorder and processing machine
Nuprep Skin Prep Gel Weaver and Company Skin prep abrasive gel
Signal v.7 Cambridge Electronic Design Data acquisition and analysis software
The Magstim BiStim2 Magstim Transcranial magnetic stimulator (two 2002 units)

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경두개 자기 자극을 통해 인간 모터 시스템의 기능적으로 특정신경 경로 측정 및 조작
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Goldenkoff, E. R., Mashni, A., Michon, K. J., Lavis, H., Vesia, M. Measuring and Manipulating Functionally Specific Neural Pathways in the Human Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation. J. Vis. Exp. (156), e60706, doi:10.3791/60706 (2020).More

Goldenkoff, E. R., Mashni, A., Michon, K. J., Lavis, H., Vesia, M. Measuring and Manipulating Functionally Specific Neural Pathways in the Human Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation. J. Vis. Exp. (156), e60706, doi:10.3791/60706 (2020).

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