Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Måling og manipulation funktionelt specifikke neurale veje i det menneskelige motorsystem med tværkraniel magnetisk stimulation

Published: February 23, 2020 doi: 10.3791/60706
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1School of Kinesiology, Brain Behavior Laboratory, University of Michigan

Summary

Denne artikel beskriver nye tilgange til at måle og styrke funktionelt specifikke neurale veje med transkraniel magnetisk stimulation. Disse avancerede noninvasive hjernestimulationsmetoder kan give nye muligheder for forståelse af hjerneadfærdsrelationer og udvikling af nye behandlingsformer til behandling af hjernesygdomme.

Abstract

Forståelse interaktioner mellem hjernen områder er vigtigt for studiet af målrettet adfærd. Funktionel neuroimaging af hjernen smuligheder har givet vigtig indsigt i grundlæggende processer i hjernen som kognition, læring, og motorkontrol. Men denne tilgang kan ikke give årsagssammenhæng evidens for inddragelse af hjernen områder af interesse. Transkraniel magnetisk stimulation (TMS) er et kraftfuldt, noninvasive værktøj til at studere den menneskelige hjerne, der kan overvinde denne begrænsning ved forbigående at ændre hjerneaktivitet. Her fremhæver vi de seneste fremskridt ved hjælp af en parret-puls, dual-site TMS metode med to spoler, der kausal sonder kortico-kortikale interaktioner i det menneskelige motorsystem i forskellige opgave sammenhænge. Derudover beskriver vi en Dual-site TMS protokol baseret på kortikal parret associative stimulation (cPAS), der forbigående øger synaptisk effektivitet i to indbyrdes forbundne hjerneområder ved at anvende gentagne par kortikale stimuli med to spoler. Disse metoder kan give en bedre forståelse af de mekanismer, der ligger til grund for kognitiv-motorisk funktion samt et nyt perspektiv på at manipulere specifikke neurale veje på en målrettet måde at modulere hjernen kredsløb og forbedre adfærd. Denne tilgang kan vise sig at være et effektivt redskab til at udvikle mere avancerede modeller af hjerne-adfærd relationer og forbedre diagnose og behandling af mange neurologiske og psykiatriske lidelser.

Introduction

Noninvasive hjerne stimulation er en lovende vurdering værktøj og behandling for mange neurologiske lidelser, såsom Parkinsons sygdom, Alzheimers sygdom, og slagtilfælde1,2,3,4. Der er akkumulerende beviser for forholdet mellem adfærdsmæssige manifestationer af neurologiske sygdomme og abnormiteter i kortikal ophidselse, neuroplasticitet, kortico-kortikale og kortico-subkortikale tilslutningsmuligheder5,6. Derfor kan grundlæggende viden om hjernennetværk dynamik og plasticitet i neurologiske tilstande give uvurderlig indsigt i sygdomsdiagnose, progression, og reaktion på terapi. Funktionel magnetisk resonans imaging(fMR) er et nyttigt værktøj til at forstå de komplekse relationer mellem hjerne og adfærd i både sunde og syge hjernenetværk og har potentiale til at forbedre behandlingen baseret på et netværk perspektiv7,8,9. Men, fMR er korrelationsmæssig karakter og kan ikke give en årsagssammenhæng mellem hjernefunktion og adfærd, eller manipulere funktionelle tilslutningsmuligheder for at genoprette unormale neurale kredsløb forbundet med adfærdsmæssige funktionsnedsættelser hos patienter10,11,12. Transkraniel magnetisk stimulation (TMS) kan både kausal måle og modulere menneskelige hjernefunktion og adfærd i sundhed og sygdom3,13,14,15.

TMS er en sikker, noninvasive metode til at stimulere den menneskelige hjerne16,17og kan bruges til at fremkalde og måle plasticitet18. Denne metode kan fremme vores forståelse af kausalrelationer mellem individuelle hjerneområder og adfærd10,11,12,19og deres specifikke funktionelle interaktioner med andre noder i et hjernenetværk20,21,22,23. Til dato har de fleste undersøgelser fokuseret på det menneskelige motorsystem, da TMS til håndområdet af den motoriske cortex (M1) kan producere motor fremkaldte potentialer (MEP'er) som fysiologiske udlæsninger for ændringer i forbindelse med motorisk adfærd24, så undersøgelse af forskellige hæmmende og excitatoriske kredsløb på systemniveau i den menneskelige hjerne25. Nylige fremskridt ved hjælp af en konditioneringtest TMS tilgang med to spoler viser, at det er muligt at måle funktionelle interaktioner mellem forskellige kortikale områder. I motorsystemet viser TositeTMS-eksperimenter, at input fra kortikale områder, der er forbundet med M1, kan ændre sig med opgavekrav, alder eller sygdom14,26. Skelsættende arbejde af Ferbert og kolleger har konstateret, at anvende en konditionering stimulus til M1 forud for en test stimulus af den anden M1 kan resultere i hæmning af MEP amplitude, et fænomen kendt som kort interval interumisk hæmning (SIHI)28. En række TMS-undersøgelser ved hjælp af denne fremgangsmåde har også vist, at M1 er stærkt forbundet med den kontralaterale M1, ventrale præmotoriske cortex (PMv), dorsale præmotoriske cortex (PMd), supplerende motorområde (SMA), pre-SMA, primær sensorisk cortex (S1), dorsolateral præfrontal cortex (DLPFC) og posterior parietal cortex (PPC) i hvile27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42. Interessant, effekten af stimulation fra disse kortikale områder på motor kortikal ophidselse er anatomisk, tidsmæssigt, og funktionelt specifikke for den igangværende hjerneaktivitet under udarbejdelsen af en bevægelse (tilstand- og kontekstafhængig43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69). Men, meget få undersøgelser ved hjælp af dual-site TMS har karakteriseret mønstre af funktionelle kortico-kortikale tilslutningsmuligheder med motoriske og kognitive funktionsnedsættelser hos patienter med hjernesygdomme70,71,72. Dette giver mulighed for at udvikle nye metoder til vurdering og behandling af motoriske og kognitive forstyrrelser.

Ved hjælp af denne teknik, det er også blevet konstateret, at gentagne par kortikale TMS anvendes på kortikale områder forbundet med M1 såsom kontralaterale M168,69,70, PMv76,77,78, SMA71, og PPC80,81,82 kan fremkalde ændringer i synaptisk effektivitet i specifikke neurale veje baseret på Hebbian princippet om associativ plasticitet83 ,84,85,86 og forbedre adfærdsmæssige ydeevne72,73,74. Stadig, få undersøgelser har brugt denne tilgang til at studere kredsløb og plasticitet dysfunktion i neurologiske lidelser2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96. Det er stadig at blive vist, om en styrkelse af funktionelt specifikke neurale veje med TMS kan genoprette aktiviteten i dysfunktionelle kredsløb, eller om den potentielle styrkelse af intakt kredsløb kan øge modstandsdygtigheden97 i hjernen netværk støtte motoriske og kognitive funktion i hele levetiden og i sygdom. Manglen på grundlæggende forståelse af de neurale mekanismer, der ligger til grund for neurologiske lidelser og virkninger af stimulation på indbyrdes forbundne dysfunktionelle hjernenetværk, begrænser den nuværende behandling.

På trods af sin evne, TMS er endnu ikke blevet en standard del af armamentarium af neurovidenskab og kliniske værktøjer til at forstå hjerne-adfærd relationer, patosysiologi af hjernesygdomme, og effektiviteten af behandlingen. Derfor, at realisere sit potentiale og støtte sin store anvendelse, standardisering TMS metoder er vigtigt, fordi det er mere tilbøjelige til at øge stringens af fremtidige TMS eksperimenter og reproducerbarhed på tværs af uafhængige laboratorier. I denne artikel beskrives, hvordan TMS kan bruges til både at måle og manipulere funktionelle interaktioner. Her beskriver vi denne teknik i motorsystemet (f.eks. parieto-motorvej44) ved at måle TMS-baserede outputforanstaltninger (f.eks. mep'er), hvor metoden bedst forstås. Det er dog vigtigt at bemærke, at denne protokol også kan tilpasses til at målrette funktionel kobling af andre subkortikale85, cerebellar86,87, og kortikale områder. 73,74,88 Desuden kan neuroimaging teknikker som EEG89,90,91 og fMRI92,93 anvendes til at vurdere de TMS-inducerede ændringer i aktivitet og konnektivitet26,94. Vi slutter med at foreslå, at undersøgelsen af den funktionelle inddragelse af kredsløbsniveau kortikale tilslutningsmuligheder med disse TMS metoder i både sundhed og sygdom gør det muligt at udvikle målrettede diagnoser og innovative behandlingsformer baseret på mere avancerede netværksmodeller af hjerne-adfærd relationer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Følgende tre TMS-metoder er beskrevet nedenfor. For det første er to metoder beskrevet til at måle kortico-kortikale tilslutningsmuligheder ved hjælp af dual-site transkraniel magnetisk stimulation (dsTMS), mens deltagerne er enten 1) i hvile (hviletilstand) eller 2) udfører en objekt-rettet reach-to-grasp bevægelse ( opgaveafhængig). For det andet beskrives en kortikal parret associativ stimulationsmetode (cPAS) for at modulere samspillet mellem to hjerneområder på en kontrolleret måde ved at parre kortikale stimuli (f.eks. posteriorparietle og primære motorkorticeer) for at styrke funktionelle specifikke neurale veje med TMS og fremkalde ændringer i kortikal ophidselse. Der findes et repræsentativt datasæt for hver metode. Alle de metoder, der er beskrevet i denne protokol, blev godkendt af University of Michigan Institutional Review Board i overensstemmelse med Helsingfors-erklæringen.

1. Rekruttering af deltagere

  1. Screen alle deltagere for eventuelle kontraindikationer til TMS95,96,97,98,99,100 og magnetisk resonans imaging (MR) før ansættelse. Rekruttér højrehåndede deltagere101 til eksperimenter, der undersøger funktionel tilslutning i motorsystemet.
  2. Informer hver deltager om de undersøgelsesmål, -procedurer og -risici, der er godkendt af det lokale institutionelle klagenævn. Få skriftligt samtykke, før du tillader den enkelte at deltage i undersøgelsen.

2. Elektromyografi (EMG) Elektrode Placering

  1. Bed deltageren om at sidde behageligt i den eksperimentelle stol med begge arme understøttet i en afslappet position. Giv deltagerne en hagehvile under TMS til at holde hovedet bevægelse til et minimum under stimulation.
  2. Rengør huden over musklen af interesse med en mild slibende. Ved hjælp af en mave-senen elektrode arrangement, placere en engangs-Ag-AgCl elektrode på mavemusklen og en anden på en knoklet vartegn i nærheden for en reference site på begge hænder af deltageren. Gentag dette trin for hver muskel af interesse.
  3. Tilslut en jordelektrode til ulnar styloid processen. Det er vigtigt at inspicere niveauet af overfladekontakt af elektroderne med huden i hele forsøgets varighed, da dette udelukker impedanskvaliteten af EMG-signalet. Placering af tape over overfladeelektroden kan forbedre graden af kontakt med hudoverfladen.
    BEMÆRK: For reach-to-grasp handlinger fælles muskler undersøgt er 1) den første ryginterosseous (FDI), 2) bortfører pollicis brevis (APB), og 3) bortfører digiti minimi (ADM) muskler i hånden.
  4. Tilslut overfladeelektroder med en EMG-forstærker og et dataanskaffelsessystem. Optag og opbevar EMG-signalerne fra forstærkeren til dataindsamlingscomputeren med EMG-software til onlineovervågning og offlineanalyse af EMG-signalet. Du kan eventuelt forstærke EMG-signalet 1.000 x og bruge et båndpasfilter mellem 2 Hz og 2,5 kHz, digitaliseret ved 5 kHz med en analog-til-digital grænseflade.

3. Lokalisering af hjerneområder for målrettet TMS

  1. Metode 1: Lokalisering uden en MR-scanning
    1. Ved hjælp af 10-20 EEG-systemet mærke C3, placeret ca over venstre primære motoriske cortex (M1), og P3, placeret ca over en del af den kantede gyrus i venstre bageste parietal cortex (PPC), på deltagerens hovedbund. Se metoder, der tidligere er beskrevet102, for specifikke trin til at lokalisere hjerneområder med 10-20 EEG-systemet (se figur 3 og 4 fra Villamar et al.102).
    2. Alternativt kan en elektroencefalografi (EEG) hovedhætte bruges til at tilnærme hjernen områder på hovedbunden. Placer en passende størrelse EEG hætte på deltagerens hoved og tilpasse Cz position på hætten med den markerede Cz position på deltagerens hovedbund. Mark C3 og P3 ved hjælp af hætten.
      BEMÆRK: Lokalisering uden en persons MR-scanning har potentiale til at være unøjagtig103. Derfor anbefales MRI-baseret neuronavigation kraftigt for at øge nøjagtigheden og pålideligheden af at målrette TMS. Dette kan potentielt føre til mindre variation i De TMS-inducerede eftervirkninger.
  2. Metode 2: Brug af en MR-scanning
    1. Før TMS-sessionen skal du anskaffe deltagerens strukturelle MR-scanning (T1). Upload scanningen til et neuronavigationssystem.
    2. Opret en tre-dimensionel rekonstruktion af hjernen og huden overlay ved hjælp af neuronavigation software. Placer markører på de anatomiske landemærker på spidsen af næsen, nasion, inion og de preauricular notches af begge ører. Brug ikke tragus, da den kan skifte, når ørepropper er sat i.
    3. Find håndknappen, det anatomiske vartegn, der svarer til M1104, i venstre præcentrale gyrus. Placer en banemarkør på dette tidspunkt med neuronavigationssystemet. Dette punkt skal justeres 45° fra midterlinjen og omtrent vinkelret på den centrale sulcus. Optag og navngiv det anatomiske vartegn med neuronavigationssystemet (figur 1).
    4. Find det ikke-motoriske interesseområde (f.eks. over det anteriorintraparietale sulcus-område i PPC). Placer en anden bane markør over denne anatomiske vartegn. Optag og navngiv placeringen med neuronavigationssystemet (figur 1).
  3. Udfør spole og hoved registrering med tracking system
    1. Kalibrer begge TMS-spoler med kalibreringsblokken separat ved hjælp af neuronavigationssystemet.
    2. Placer hovedtrackeren sikkert på deltagerens hoved, så trackeren er i betragtning i hele eksperimentets varighed.
    3. Coregister de anatomiske vartegn på deltagerens hoved til neuronavigationssystemet. Hvis der ikke er indhentet en MR-scanning fra deltageren, skal du bruge en MR-skabelon fra Montreal Neurological Institute.
      BEMÆRK: Det er vigtigt ikke at anvende for meget kraft med markøren på deltagerens hud for at undgå ubehag og unøjagtigheder, når du udfører registrering. Det kan være værdifuldt at kontrollere regelmæssigt i løbet af eksperimentet, at hovedet tracker ikke har flyttet. Disse procedurer sikrer præcision, når TMS-spolen anvendes på et målområde til stimulering under forsøget.

4. Lokalisering af optimal TMS Coil Position og bestemmelse af tærskler

BEMÆRK: I dette eksperiment henviser CoilM1 til den spole, der anvendes til at levere stimulering til M1, mens CoilTwo refererer til den spole, der bruges til at levere stimulering til det andet kortikale interesseområde (f.eks. posterior parietal cortex). Der skal fastsættes en tærskel på over M1 for SpoleTo for at beregne den maksimale stimulatorudgang (MSO), der anvendes over ikke-motoriske områder. Motortærskelværdier skal indberettes for at muliggøre sammenligninger og reproducerbarhed på tværs af forsøg.

  1. Lokalisering og tærskeling med CoilTwo
    1. Placer midten af CoilTwo over målet M1 placering identificeret i det foregående afsnit for at fremkalde en posterior-forreste strøm retning i hjernen.
    2. For at finde det optimale sted for aktivering af målmusklen, levere pulser til M1 på 30% af maskinens MSO. Bemærk, om den leverede stimulering giver et muskelryk og bestemmer amplituden af motoren fremkaldte potentiale (MEP) registreret med EMG elektroder fra muskelaktivitet vises af dataindsamlingssystemet.
    3. Hvis et mep eller et synligt muskelryk ikke observeres, skal du fortsætte med at øge stimulatoroutputtet med 5 % forøge. Det kan være nødvendigt at justere TMS-spolens position, rotation, hældning og krøje for at optimere m.f.eks. Gentag dette, indtil der observeres et svar.
    4. Sænk intensiteten trinvist til den laveste intensitet , der giver mindst 5 ud af 10 mep-svar med en amplitude på ≥50 μV , mens deltageren er i hvile97,98,105. Dette defineres som hvilemotortærsklen (RMT).
    5. Sørg for, at begge hænder er i hvileposition med både arme og hænder understøttet med puder.
    6. Give real-time visuel eller auditive feedback af muskelaktivitet fra EMG (f.eks på en skærm eller højttaler) i hele sessionen, især hvis der er overdreven muskelaktivitet (f.eks ældre voksne populationer).
    7. Spørg løbende deltageren om komfortniveauer.
      BEMÆRK: Det er vigtigt, at alle procedurer, der er beskrevet ovenfor, udføres separat og gentages for hver TMS-spole for at bestemme de specifikke parametre, der anvendes i forsøget for de forskellige spoler (f.eks. lokalisering af optimal TMS-spoleposition og bestemmelse af stimuleringsintensiteter for motorisk tærskel). Det er også vigtigt, at intervallet mellem TMS impulser er >5 s for at undgå at fremkalde ændringer i kortikal excitabilitet.
  2. Lokalisering og tærskeling med CoilM1
    1. Gentag de ovenfor beskrevne trin for at finde den optimale stimuleringsplacering med CoilM1.
    2. Bestemme den laveste stimulator intensitet er nødvendig for at generere MEP'er på ≥1 mV i 5 af 10 forsøg i målet hånd muskel, når musklen er helt afslappet. Markér og registrer positionen af CoilM1 ved hjælp af neuronavigationssystemet.

5. To-site TMS (Hvilestat)

  1. Brug to figur-8 formede spoler (f.eks CoilM1 og CoilTwo)forbundet til to individuelle TMS stimulatorer (f.eks to Magstim 2002 enheder). Levere teststimuli (TS) over M1 med CoilM1 (f.eks.
  2. Bestemme procentdelen af MSO intensiteten for konditionering stimulus (CS) for CoilTwo.
    BEMÆRK: Procentdelen af MSO-intensiteten er ofte mellem 70-140 RMT og vil afhænge af eksperimentets specifikke parametre og mål (se tabel 3 fra Lafleur et al.14). For dette eksperiment, cs blev sat til 90% af RMT, svarende til parametre, der anvendes andre steder35,44,60.
  3. For test stimulus (TS), skal du bruge den tidligere bestemte intensitet, der fremkalder MEP amplitudes på ~ 1 mV i den målrettede quiescent hånd muskel.
  4. Angiv det præcise interstimulusinterval (ISI) mellem CS og TS.
  5. Brug den medfølgende kontrolsoftware eller eksterne kontrol via TTL-impulser til at styre ISI for de to impulser. ISI varierer ofte fra 4-20 ms (se tabel 1 fra Lafleur et al.14). I forbindelse med dette eksperiment gik CS til PPC forud for TS til M1 med en ISI på 5 ms.
  6. Ved hjælp af et skræddersyet kodningsscript skal du generere tms-prøveversionerne med en enkelt puls (TS alene) og TMS-prøveversioner (CS-TS) med parrede pulsprøver (CS-TS) ved den angivne ISI.
  7. Position CoilM1 over venstre M1 og position CoilTwo over det andet område af interesse.
  8. Levere TS alene forsøg med CoilM1. For de parrede puls (CS-TS) forsøg, levere CS med CoilTwo efterfulgt af TS til CoilM1 på forudbestemte ISI'er. Dette er illustreret i figur 2. Gentag mindst 12 forsøg for hver betingelse. Levere TS mindst 1 s efter starten af forsøget for at indsamle prestimulus EMG aktivitet. Brug en 4's dataindsamlingssøgning for hver prøveversion efterfulgt af et 1-s intertrial-interval.
  9. Om nødvendigt justereTMS-spolepositionerne en smule for at imødekomme placeringen af begge spoler over de valgte målrettede steder på deltagerens hoved. Juster og optag den nye placering af CoilM1 og CoilTwo ved hjælp af neuronavigationssystemet i overensstemmelse hermed.
  10. Brug udløserknappen på TMS-maskinen til den medfølgende kontrolsoftware eller det specialfremstillede kodningsscript fra den eksterne controller til at levere de programmerede TMS-impulser.
    BEMÆRK: Til dette eksperiment blev der anvendt et dataanskaffelsessystem (f.eks. CED Micro 1401) og softwarepakke (f.eks. signalversion 7) til at generere stimuli, indsamle data, styre det eksterne udstyr og køre analysen. De skræddersyede kodningsscripts, der bruges til at køre og analysere data fra forsøgene, er tilgængelige fra den tilsvarende forfatter.

6. To-site TMS (Opgave kontekst)

BEMÆRK: Dual-site TMS kan også bruges til at teste, om funktionel forbindelse i hvile kan moduleres af forskellige opgavesammenhænge.

  1. Følg den samme metode, der er beskrevet i afsnittet ovenfor, for at undersøge funktionelle interaktioner mellem forskellige kortikale områder, der er forbundet med M1, men i den forberedende fase af en opgave, der engagerer netværket (f.eks. under handlingsplanen for at forstå).
  2. Bestem tidsforløbet og et kortikalt interesseområde (f.eks. PPC) for at undersøge funktionelle interaktioner med M1 under udarbejdelsen af en kompleks bevægelsesplan (f.eks. objektdrevet præcisionsgreb eller helhåndsgreb43,44,45,46,47,48,49,106) for selektive håndmuskler.
  3. Ved hjælp af en skræddersyet kodning script, generere i tilfældig rækkefølge timingen af TS alene forsøg og parret-puls forsøg (CS-TS) på en given ISI efter 'GO' cue i reaktionsperioden (planfase), således at MEP optagelser indsamles før bevægelsen indledning (forbevægelsesperiode) for opgaven.
  4. Levere single-pulse TMS (TS alene) eller parret-puls TMS (CS-TS) sonder mellem 50 og 800 ms efter 'GO' cue47,49 under handlingsplanen for komplekse håndbevægelser. Se figur 3 for timing af et hændelsesrelateret forsøg for dette eksperiment. De skræddersyede kodningsscripts, der bruges til at køre tidspunktet for hændelsesrelaterede forsøg, er tilgængelige fra den tilsvarende forfatter.
    1. Før testsessionen med TMS skal deltageren udføre opgaven i mindst 50 øvelsesforsøg for at fastlægge en ensartet reaktionstid. Tilskynd deltageren til at stille spørgsmål om opgaven for at sikre pålidelig ydeevne under testsessionen med TMS.
    2. Brug det skræddersyede kodningsscript til at levere alle kombinationer af singlepulse TMS (TS alene) eller parret puls TMS (CS-TS) og opgave (f.eks. tag fat i en mindre top eller tag fat i et større bundobjekt) i reaktionsperioden (planfase), således at MEP-optagelserne er indsamlet før den faktiske bevægelsesindledning.

7. Kortikal parret associativ stimulation (cPAS)

BEMÆRK: Denne protokol indebærer at levere par monophasiske impulser til to forskellige kortikale områder over korte perioder for at fremkalde pathway-specifikke ændringer i synaptisk styrke mellem forbindelser i den menneskelige hjerne. Denne fremgangsmåde er baseret på hebbianske principper om spike timing afhængig af plasticitet107,108,109,110. I lighed med to-site TMS metoder, cPAS leveres med to TMS maskiner tilsluttet to individuelle TMS spoler over to forskellige kortikale områder (f.eks PPC og M1).

  1. Ved hjælp af en skræddersyet kodning script, generere 100 par stimuli på 0,2 Hz (8,3 min varighed hver). For den eksperimentelle cPASTwo→M1 tilstand, levere de første stimuli over det ikke-motoriske område (f.eks PPC) med CoilTwo med en bestemt pulsintensitet (f.eks 90% RMT) for 5 ms før den anden stimuli over M1 med CoilM1 med en pulsintensitet, der fremkalder en MEP amplitude på ~ 1 mV i den målrettede hånd muskel.
  2. Det er vigtigt at styre for: 1) retningsbestemthed af tilslutningsmuligheder (CTRLM1→Two); 2) timing (CTRLISI=500ms) og 3) stimuleringssted (CTRL-kontrolsted→M1) i separate sessioner. Se f.eks.se 72,74,111,112. De skræddersyede kodningsscripts for hver cPAS-betingelse er tilgængelige fra den tilsvarende forfatter. Stimuleringsparametrene (f.eks. intensiteter og ISI) kan justeres for forskellige kortikale områder. Se tabel 2 fra Lafleur et al.14 for et resumé af plasticitetsprotokoller.
  3. Brug de procedurer, der er beskrevet i de foregående afsnit, til at styre den nøjagtige placering af TMS-spolerne.
  4. Opnå baseline korticospinal målinger med CoilM1 (f.eks ~ 24 MEP'er).
  5. Randomiser deltagerne til en af fire interventionsgrupper: 1) cPAS Two→M1; 2) CTRLM1→To; 3) CTRLISI=500ms; 4) CTRL-kontrolwebsted→M1.
  6. Til dette eksperiment blev kun den eksperimentelle cPAS Two→M1-tilstand testet, og PPC blev anvendt som interesseområde. Når du udfører flere sessioner på den samme deltager, er det vigtigt, at hver eksperimentel session er adskilt af mindst 48 timer i en randomiseret rækkefølge for at forhindre crossover effekter. Det er også vigtigt at gentage sessioner inden for hver deltager på samme tidspunkt af dagen for at styre for årvågenhed.
  7. Brug det skræddersyede kodningsscript til at levere den angivne cPAS-betingelse.
  8. Overvåg muskelaktiviteten på den anden (venstre) hånd under eksperimentet med EMG for at sikre, at hånden er helt afslappet under protokollen.
  9. Få korticospinalmålinger med CoilM1 (f.eks. ca. 24 MEP'er) på forskellige tidspunkter efter cPAS (f.eks. 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 min) for at undersøge tidsforløbet af TMS-induceret effekt på hjerneophidselse.
    BEMÆRK: Den forsøgsprotokol , der anvendes her , er vist i figur 4. De fleste undersøgelser har til dato fokuseret på motorsystemet, fordi MEP'et er en pålidelig resultatforanstaltning. Men adfærdsmæssige foranstaltninger72,73,74 og funktionelle tilslutningsstyrke med fMRI92,93 og EEG89,90 efter TMS manipulation af associativ plasticitet kan også undersøges. Disse metoder kan også vedtages for forskellige kortikale områder, der ikke omfatter M1 som et kortikalt mål.

8. Databehandling og -analyse

  1. Undersøg visuelt EMG-data offline og kassér eventuelle spor, der viser muskelaktivitet , hvor rodmiddelkvadrat-EMG-aktiviteten i musklerne oversteg et baggrundsniveau på 10 μV i løbet af de 100 ms umiddelbart før TMS-pulsen for at sikre, at musklerne var i hvile59,113.
  2. På samme måde skal alle forsøg med EMG-aktivitet, der falder sammen med TMS-pulsen i bevægelsesforberedelsesperioden (f.eks. 800 ms vindue47,49), kasseres i to-site TMS opgave kontekstforsøg for at udelukke foregribende svar.
  3. For hvert mep-forsøg måles peak-to-peak amplitude mellem minimum- og maksimumværdierne i mV i tidsvinduet mellem 50 ms før og 100 ms efter TS105.
  4. Beregne gennemsnitaf MEP amplitudes i millivolts fra TS alene forsøg og parret-puls (CS-TS) forsøg for hver deltager. Beregn gennemsnitet på tværs af alle deltagere. Rapportér disse værdier.
  5. Dernæst normalisere den gennemsnitlige MEP amplitude fra parret-puls stimulation (CS-TS) forsøg fra den ukonditionerede single-pulse (TS alene) forsøg for hver deltager og tilstand. Udtryk mep amplitudes som et forhold til baseline TS tilstand.

Equation 1

  1. Beregn gennemsnitet på tværs af alle deltagere. Rapportér disse værdier.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 5 viser størrelsen af et eksempel på et eksempel på et parlamentsmedlemmers respons, der fremkaldes i FDI-musklen af TMS for en ukonditioneret teststimuli (TS alene til M1, blå spor) eller konditionerede stimuli fra PPC (CS-TS, rødt spor), mens deltageren var i hvile (øverste panel) eller planlagde en målrettet gribehandling mod et objekt (nederste panel). I hvile udøver PPC en hæmmende indflydelse på ipsilateral M1, som det fremgår af faldet i MEP amplitudes forstærket af en undertærskel CS leveret over PPC 5 ms før en suprathreshold TS over M1 (top panel). Under udarbejdelsen af en gribehandling skiftede dette nethæmmende drev i hvile fra PPC til facilitering (udslip af hæmning). For direkte at sammenligne PPC-M1-interaktioner under hvile- og opgavekrav blev MEP-amplitudes normaliseret til TS alene forsøg for hver betingelse og afbildet som et forhold for MEP amplitude. PPC-M1 interaktion blev lettet fra hvile, når de planlægger en objekt-rettet greb (lilla barer).

Toppanelet i figur 6 viser ændringer i mep-amplitudes under administrationen af cPAS-protokollen. MEP amplitudes induceret af parret stimulation af PPC og M1 gradvist steget over tid under stimulation protokollen, hvilket tyder på plast effekter på niveau med parieto-motor-forbindelse, M1 korticospinal neuroner, eller begge dele. Det nederste panel i figur 6 viser ændringer i MEP amplitudes fremkaldt i hvilende FDI muskel ved enkelt puls TMS over M1 før og efter cPAS protokollen. Størrelsen af MEP amplitudes steg 10 min efter cPAS protokollen, hvilket tyder på motorexcitabilitet eftervirkninger blev induceret efter administration af de gentagne par kortikale stimuli over PPC og M1.

Figure 1
Figur 1: Tredimensionel rekonstruktion af en typisk deltagers anatomiske MR-scanning med markerede kortikale steder over den primære motoriske cortex (M1, blåt symbol) og posterior parietal cortex (PPC, rødt symbol) på venstre halvkugle. Neuronavigation software til TMS blev ansat til at målrette individuelt bestemte kortikale områder med hver figur-8 TMS coil. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Skematisk repræsentation af den transkraniale magnetiske stimulation med to spoler (dsTMS), der anvendes til at sonde funktionelle interaktioner mellem den bageste parietalcortex (PPC) og primære motoriske cortex (M1) i hvile (hviletilstand). Der blev anvendt et CS på PPC for at undersøge dens virkning på en efterfølgende overgrænse TS til M1. Enhver ændring i amplitude af højre muskel respons på TMS måles med EMG. For dette eksperiment, cs intensitet var 90% af RMT. Intensiteten af TS blev justeret for at fremkalde et medlem af Europa-Parlamentet på ~ 1 mV peak-to-peak i den afslappede FDI og ADM. ISI mellem pulser var 5 ms. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: DSTMS-metoden, der anvendes til at undersøge funktionelle interaktioner mellem PPC og M1 under en rækkevidde-til-greb-bevægelse (opgavekontekst). Belysningen af en LED instruerede deltageren i at planlægge en af to mulige højrehåndshandlinger på målobjektet: 1) tag fat i den mindre topcylinder eller 2) gribe fat i den større bundcylinder. TS alene eller CS-TS på det angivne ISI (f.eks. 5 ms) blev leveret 300 ms efter 'GO'-signalet (f.eks. LED-debut) i reaktionsperioden (planfase), således at MEP-optagelser blev indsamlet før den faktiske bevægelsesindledning (stiplet sort linje). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Skematisk af kortikal parret associativ stimulation protokol (cPAS), der anvendes til at styrke funktionelt specifikke neurale veje. Den første stimulus blev anvendt på det område af interesse med CoilTwo (f.eks PPC, rød spole) 5 ms før den anden stimulus blev leveret til M1 (blå spole) med CoilM1. Par af kortikale stimuli blev leveret med en frekvens på 0,2 Hz (en gang hver 5 s) og gentages i 100 forsøg (~ 8,3 min). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Eksempel MEP spor for en betingelsesfri test stimulus (TS alene, blå spor) eller konditioneret stimulus (CS-TS, rød spor) for hviletilstand (øverste panel) og kontekstafhængige (nederste panel) tilstand. Søjlediagrammer viser MEP-amplitudes fra dsTMS-protokollen, mens deltageren er i hvile eller udfører en gribeopgave (handling). Når deltageren var i hvile (øverste panel), CS-TS (rød bjælke) faldt den gennemsnitlige amplitude af MEP'er (hæmning) i forhold til den ukonditionerede TS alene (blå bjælke). I modsætning hertil, når deltageren planlagt reach-to-grasp opgave (nederste panel), den gennemsnitlige MEP amplitude øget (lettelse) for CS-TS (rød bar) forsøg i forhold til TS alene (blå bar) forsøg. For direkte at sammenligne PPC-M1-interaktionen med hvile-versus-virkningstilstand blev den gennemsnitlige MEP amplitude, der fremkaldte ved kombineret pulsstimulering (CS-TS), normaliseret ved at beregne forholdet mellem amplitude i forhold til den gennemsnitlige ukonditionerede MEP-amplitude (TS alene). Lilla stænger repræsenterer den normaliserede MEP amplitude for hver betingelse. Y = 1 indikerer ingen effekt af CS på M1-ophidselse (stiplet sort linje), mens forhold, der er højere end 1, indikerer øget M1-ophidselse og forhold, der er lavere end 1, indikerer nedsat M1-ophidselse på grund af konditionerede stimuli (CS-TS). Fejllinjer repræsenterer SEM. Klik her for at få vist en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6: MEP'erne under cPAS. Toppanelet viser, at MEP-amplitudes steg under administrationen af cPAS. Det nederste panel viser virkningen af cPAS-protokollen på MEP amplitude. Efter cPAS intervention (rød bar) corticospinal ophidselse steg efter 10 min (mørkegrå bar) i forhold til baseline (lysegrå bar), som vurderet af MEP'er i quiescent hånd muskler. Den røde bjælke repræsenterer den parrede stimuleringintervention, cPAS (100 par ved 0,2 Hz, ~8,3 min). Dette tyder på, at modulerende parieto-motoriske interaktioner med cPAS kan fremkalde forbigående ændringer i motorplasticitet. Fejllinjer repræsenterer SEM. Klik her for at få vist en større version af denne figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den dual-site TMS metode, der er beskrevet her kan anvendes til at undersøge funktionelle interaktioner mellem forskellige kortikale områder forbundet med den primære motoriske cortex, mens en deltager er i hvile eller planlægger en målrettet handling. Mens hjernebilleddannelse er korreleret, grundlæggende viden fra dual-site TMS metoder kan afsløre kausal hjerne-adfærd relationer forbundet med ændringer i kortico-kortikale kredsløb. Desuden kan kortikal parret associativ stimulation med to TMS-spoler, der anvendes i områder, der er forbundet med M1, anvendes til at styrke funktionelt specifikke konnektivitetsmuligheder for bevægelseskontrol og øge effektiviteten af fremkaldende plasticitet. Samlet set viser disse metoder, at disse TMS-protokoller både kan måle og manipulere neurale aktiviteter, der ligger til grund for informationsstrømmen mellem hjerneområder, på en anatomisk, opgave- og tidsafhængig måde i motorsystemet. Dette giver mulighed for at teste forskellige hypoteser i forbindelse med det kortikale områders kausalbidrag til motorfunktionen.

I dette lys kan tilgangen også udgøre et vigtigt grundlag for at forstå netværksforbindelsen på systemniveau hos neurologiske og psykiatriske patienter med lignende symptomologi og gøre det muligt at anvende den som både et redskab til at diagnosticere og behandle kredsløbsdysfunktion. Derfor er det vigtigt for flere undersøgelser at udforske andre kortikale områder uden for motorsystemet for at teste sin generalizability på tværs af hjernen netværk i både sunde og syge hjerner. Dette er en vigtig faktor, da man ikke kan antage, at reaktionen på TMS i en hjerneregion vil have den samme fysiologiske virkning, når den anvendes i en anden region. Det er også fordelagtigt, at disse procedurer kan udvides til mere komplekse bevægelser, og andre domæner uden for bevægelse såsom kognition, perception og humør. Faktisk, flere undersøgelser ved hjælp af dual-site TMS og cPAS er begyndt at undersøge virkningerne og gennemførligheden af undersøgelsen i de visuelle og kognitive systemer73,74,88. Vigtigere, dette vil give mulighed for at udvikle en mere sofistikeret forståelse af neurale fundament forbinder hjerneaktivitet til motor, kognitiv, og affektiv funktion. Som et resultat, Det er afgørende, at en solid mekanistisk viden om neurale kredsløb dynamisk i patientpopulationer undersøges, før det bestemmes nytten af at anvende disse protokoller i fremtidige kliniske indstillinger.

Selv om voksende beviser tyder på, at TMS er en ny tilgang i stand til at karakterisere synaptisk dysfunktion og plasticitet i neurologiske og psykiatriske lidelser såsom Parkinsons sygdom, Alzheimers sygdom, og slagtilfælde, den kliniske nytte af disse vurderinger skal fastlægges i større målestok. Desuden har alt arbejde i patientpopulationer til dato kun fokuseret på de funktionelle kredsløb, mens deltagerne er i hvile. Det er afgørende, at fremtidige undersøgelser med dual-site TMS overveje statslige og opgave-afhængige effekter, især når patienten er udfordret, at udfylde viden huller i forståelsen af, hvordan ændret hjernedynamik bidrage til specifikke motoriske, kognitive og affektive Dysfunktioner. Vigtigere, denne indstilling giver mulighed for hidtil usete muligheder for at grundigt studere funktionelle hjerne kredsløb og plasticitet noninvasively ved både at registrere og manipulere neurale aktivitet. Dette kan i sidste ende oversættes til nye kliniske behandlinger for hjernesygdomme.

Afventer disse kliniske fremskridt, et kritisk første skridt er at øge stringens og reproducerbarhed af TMS eksperimenter på tværs af uafhængige laboratorier ved at give veldefinerede metodologiske procedurer, der er let deployerbare og delelige. Følgende retningslinjer for de Ovennævnte TMS-procedurer kan være med til at standardisere resultaternes design, implementering og afgørende resultater. For det første bør stimuleringsparametre som intensitet, varighed, ISI, timing, spoleposition og anatomiske steder dokumenteres omhyggeligt og gentages i samme opgavekontekst på tværs af flere uafhængige laboratorier for at tilskynde til storstilet test og anvendelse. For det andet, hjernen mål bør defineres præcist baseret på klare anatomiske og funktionelle kriterier, der fanger hjerneaktivitet i hjernen kredsløb forbundet med adfærd. For det tredje bør neuronavigation bruges til at guide TMS coil placering, når målretning sagde hjernen kredsløb. Det anbefales også, at eksperimenter er hypotese-drevet og bruge både en kontrol opgave for at sikre ændringer er relateret selektivt til opgaven sammenhæng og en kontrol hjerne site uden for formodede målrettede netværk til at udelukke den uspecifikke effekt af stimulation. For det fjerde, for bedre at informere den diagnostiske nøjagtighed og terapeutiske effektivitet af disse metoder i fremtidige kliniske indstillinger, grundforskning bliver nødt til at bruge en multimodal tilgang kombinerer TMS foranstaltninger og manipulationer med neuroimaging og adfærdsmæssige foranstaltninger til bedre at karakterisere de underliggende patologiske ændringer og effekten af behandlingen. For det femte skal variationen af individuelle svar ved hjælp af Dual-site TMS-metoder rapporteres, fordi det kan give vigtige oplysninger om, hvordan interventioner kan optimeres til forskellige hjerneområder, hvilket fører til nye behandlinger baseret på individuelle patofysiologiske mekanismer. Endelig skal forskerne være gennemsigtige, når de indberetter resultater ved at medtage negative resultater42 og gøre data offentligt tilgængelige for fortolkning for at øge stikprøvestørrelserne og fremme mere effektiv videnskab. Denne omfattende tilgang vil øge stringens og reproducerbarhed i både indsamling og analyse af data, der kan guide fremtidige grundlæggende neurovidenskab og kliniske undersøgelser. I sidste ende vil dette muliggøre forbedringer i eksperimentelt design og optimere målrettede behandlinger, og dermed reducere sygelighed og funktionsnedsættelser i neurologiske og psykiatriske lidelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af University of Michigan: MCubed Scholars Program og School of Kinesiology.

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)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ni, Z., Chen, R. Transcranial magnetic stimulation to understand pathophysiology and as potential treatment for neurodegenerative diseases. Translational Neurodegeneration. 4 (1), 1-12 (2015).
  2. Koch, G., Martorana, A., Caltagirone, C. Transcranial magnetic stimulation_ Emerging biomarkers and novel therapeutics in Alzheimer's disease. Neuroscience Letters. 134355, (2019).
  3. Hallett, M., et al. Contribution of transcranial magnetic stimulation to assessment of brain connectivity and networks. Clinical Neurophysiology. 128 (11), 2125-2139 (2017).
  4. Hummel, F. C., Cohen, L. G. Non-invasive brain stimulation: a new strategy to improve neurorehabilitation after stroke. The Lancet Neurology. 5 (8), 708-712 (2006).
  5. Caligiore, D., et al. Parkinson's disease as a system-level disorder. Nature Publishing Group. 2 (1), 1-9 (2016).
  6. Grefkes, C., Fink, G. R. Reorganization of cerebral networks after stroke: new insights from neuroimaging with connectivity approaches. Brain. 134 (5), 1264-1276 (2011).
  7. Calhoun, V. D., Miller, R., Pearlson, G., Adalı, T. The Chronnectome: Time-Varying Connectivity Networks as the Next Frontier in fMRI Data Discovery. Neuron. 84 (2), 262-274 (2014).
  8. Fox, M. D., et al. Resting-state networks link invasive and noninvasive brain stimulation across diverse psychiatric and neurological diseases. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (41), 4367-4375 (2014).
  9. Fox, M. D., Halko, M. A., Eldaief, M. C., Pascual-Leone, A. Measuring and manipulating brain connectivity with resting state functional connectivity magnetic resonance imaging (fcMRI) and transcranial magnetic stimulation (TMS). NeuroImage. 62 (4), 2232-2243 (2012).
  10. Pascual-Leone, A., Walsh, V., Rothwell, J. Transcranial magnetic stimulation in cognitive neuroscience--virtual lesion, chronometry, and functional connectivity. Current Opinion in Neurobiology. 10 (2), 232-237 (2000).
  11. Pascual-Leone, A., Bartres-Faz, D., Keenan, J. P. Transcranial magnetic stimulation: studying the brain-behaviour relationship by induction of "virtual lesions". Philosophical transactions of the Royal Society of London Series B, Biological Sciences. 354 (1387), 1229-1238 (1999).
  12. Bolognini, N., Ro, T. Transcranial magnetic stimulation: disrupting neural activity to alter and assess brain function. The Journal of Neuroscience. 30 (29), 9647-9650 (2010).
  13. Rothwell, J. C. Using transcranial magnetic stimulation methods to probe connectivity between motor areas of the brain. Human Movement Science. 30 (5), 906-915 (2010).
  14. Lafleur, L. P., Tremblay, S., Whittingstall, K., Lepage, J. F. Assessment of Effective Connectivity and Plasticity With Dual-Coil Transcranial Magnetic Stimulation. Brain Stimulation. 9 (3), 347-355 (2016).
  15. Chouinard, P. A., Paus, T. What have We Learned from "Perturbing" the Human Cortical Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation. Frontiers in Human Neuroscience. 4, 173 (2010).
  16. Chen, R. Studies of human motor physiology with transcranial magnetic stimulation. Muscle & Nerve. 23 (S9), 26-32 (2000).
  17. Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation and the human brain. Nature. 406 (6792), 147-150 (2000).
  18. Chen, R., Udupa, K. Measurement and modulation of plasticity of the motor system in humans using transcranial magnetic stimulation. Motor Control. 13 (4), 442-453 (2009).
  19. Walsh, V., Rushworth, M. A primer of magnetic stimulation as a tool for neuropsychology. Neuropsychologia. 37 (2), 125-135 (1999).
  20. Bestmann, S., et al. Mapping causal interregional influences with concurrent TMS-fMRI. Experimental Brain Research. 191 (4), 383-402 (2008).
  21. Siebner, H. R., Hartwigsen, G., Kassuba, T., Rothwell, J. C. How does transcranial magnetic stimulation modify neuronal activity in the brain? Implications for studies of cognition. Cortex. 45 (9), 1035-1042 (2009).
  22. Dayan, E., Censor, N., Buch, E. R., Sandrini, M., Cohen, L. G. Noninvasive brain stimulation: from physiology to network dynamics and back. Nature Publishing Group. 16 (7), 838-844 (2013).
  23. Sack, A. T. Transcranial magnetic stimulation, causal structure-function mapping and networks of functional relevance. Current Opinion in Neurobiology. 16 (5), 593-599 (2006).
  24. Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Experimental Brain Research. 233 (3), 679-689 (2015).
  25. Vesia, M., Davare, M. Decoding Action Intentions in Parietofrontal Circuits. Journal of Neuroscience. 31 (46), 16491-16493 (2011).
  26. Cantarero, G., Celnik, P. Applications of TMS to Study Brain Connectivity. Brain Stimulation: Methodologies and Interventions. , 191-211 (2015).
  27. Ni, Z., et al. Two Phases of Interhemispheric Inhibition between Motor Related Cortical Areas and the Primary Motor Cortex in Human. Cerebral Cortex. 19 (7), 1654-1665 (2009).
  28. Ferbert, A., et al. Interhemispheric inhibition of the human motor cortex. The Journal of Physiology. 453, 525-546 (1992).
  29. Bäumer, T., et al. Inhibitory and facilitatory connectivity from ventral premotor to primary motor cortex in healthy humans at rest - A bifocal TMS study. Clinical Neurophysiology. 120 (9), 1724-1731 (2009).
  30. Koch, G., et al. Asymmetry of Parietal Interhemispheric Connections in Humans. Journal of Neuroscience. 31 (24), 8967-8975 (2011).
  31. Koch, G., et al. Focal stimulation of the posterior parietal cortex increases the excitability of the ipsilateral motor cortex. The Journal of Neuroscience. 27 (25), 6815-6822 (2007).
  32. Koch, G., et al. Interactions between pairs of transcranial magnetic stimuli over the human left dorsal premotor cortex differ from those seen in primary motor cortex. The Journal of Physiology. 578 (2), 551-562 (2007).
  33. Koch, G., et al. TMS activation of interhemispheric pathways between the posterior parietal cortex and the contralateral motor cortex. The Journal of Physiology. 587, Pt 17 4281-4292 (2009).
  34. Ziluk, A., Premji, A., Nelson, A. J. Functional connectivity from area 5 to primary motor cortex via paired-pulse transcranial magnetic stimulation. Neuroscience Letters. 484 (1), 81-85 (2010).
  35. Karabanov, A. N., Chao, C. C., Paine, R., Hallett, M. Mapping different intra-hemispheric parietal-motor networks using twin coil TMS. Brain Stimulation. 6 (3), 384-389 (2012).
  36. Mochizuki, H., Huang, Y. Z., Rothwell, J. C. Interhemispheric interaction between human dorsal premotor and contralateral primary motor cortex. The Journal of Physiology. 561, Pt 1 331-338 (2004).
  37. Civardi, C., Cantello, R., Asselman, P., Rothwell, J. C. Transcranial Magnetic Stimulation Can Be Used to Test Connections to Primary Motor Areas from Frontal and Medial Cortex in Humans. NeuroImage. 14 (6), 1444-1453 (2001).
  38. Groppa, S., et al. The human dorsal premotor cortex facilitates the excitability of ipsilateral primary motor cortex via a short latency cortico-cortical route. Human Brain Mapping. 33 (2), 419-430 (2011).
  39. Shirota, Y., et al. Increased primary motor cortical excitability by a single-pulse transcranial magnetic stimulation over the supplementary motor area. Experimental Brain Research. 219 (3), 339-349 (2012).
  40. Cattaneo, L., Barchiesi, G. Transcranial Magnetic Mapping of the Short-Latency Modulations of Corticospinal Activity from the Ipsilateral Hemisphere during Rest. Frontiers in Neural Circuits. 5, 14 (2011).
  41. Brown, M. J. N., et al. Somatosensory-motor cortex interactions measured using dual-site transcranial magnetic stimulation. Brain Stimulation. 12 (5), 1229-1243 (2019).
  42. Brown, M. J. N., Goldenkoff, E. R., Chen, R., Gunraj, C., Vesia, M. Using Dual-Site Transcranial Magnetic Stimulation to Probe Connectivity between the Dorsolateral Prefrontal Cortex and Ipsilateral Primary Motor Cortex in Humans. Brain Sciences. 9 (8), 177 (2019).
  43. Vesia, M., et al. Functional interaction between human dorsal premotor cortex and the ipsilateral primary motor cortex for grasp plans. Neuroreport. 29, 1355-1359 (2018).
  44. Vesia, M., et al. Human dorsomedial parieto-motor circuit specifies grasp during the planning of goal-directed hand actions. Cortex. 92, 175-186 (2017).
  45. Vesia, M., Bolton, D. A., Mochizuki, G., Staines, W. R. Human parietal and primary motor cortical interactions are selectively modulated during the transport and grip formation of goal-directed hand actions. Neuropsychologia. 51 (3), 410-417 (2013).
  46. Davare, M., Kraskov, A., Rothwell, J. C., Lemon, R. N. Interactions between areas of the cortical grasping network. Current Opinion in Neurobiology. 21 (4), 565-570 (2011).
  47. Davare, M., Rothwell, J. C., Lemon, R. N. Causal connectivity between the human anterior intraparietal area and premotor cortex during grasp. Current Biology. 20 (2), 176-181 (2010).
  48. Davare, M., Lemon, R., Olivier, E. Selective modulation of interactions between ventral premotor cortex and primary motor cortex during precision grasping in humans. The Journal of Physiology. 586, Pt 11 2735-2742 (2008).
  49. Davare, M., Montague, K., Olivier, E., Rothwell, J. C., Lemon, R. N. Ventral premotor to primary motor cortical interactions during object-driven grasp in humans. Cortex. 45 (9), 1050-1057 (2009).
  50. Schintu, S., et al. Paired-Pulse Parietal-Motor Stimulation Differentially Modulates Corticospinal Excitability across Hemispheres When Combined with Prism Adaptation. Neural Plasticity. 2016 (4-6), 1-9 (2016).
  51. Isayama, R., et al. Rubber hand illusion modulates the influences of somatosensory and parietal inputs to the motor cortex. Journal of Neurophysiology. 121 (2), 563-573 (2019).
  52. Karabanov, A., et al. Timing-dependent modulation of the posterior parietal cortex-primary motor cortex pathway by sensorimotor training. Journal of Neurophysiology. 107 (11), 3190-3199 (2012).
  53. Picazio, S., et al. Prefrontal Control over Motor Cortex Cycles at Beta Frequency during Movement Inhibition. Current Biology. 24 (24), 2940-2945 (2014).
  54. Mackenzie, T. N., et al. Human area 5 modulates corticospinal output during movement preparation. Neuroreport. 27 (14), 1056-1060 (2016).
  55. Groppa, S., et al. A novel dual-site transcranial magnetic stimulation paradigm to probe fast facilitatory inputs from ipsilateral dorsal premotor cortex to primary motor cortex. NeuroImage. 62 (1), 500-509 (2012).
  56. O'Shea, J., Sebastian, C., Boorman, E. D., Johansen-Berg, H., Rushworth, M. F. S. Functional specificity of human premotor-motor cortical interactions during action selection. The European Journal of Neuroscience. 26 (7), 2085-2095 (2007).
  57. Mars, R. B., et al. Short-latency influence of medial frontal cortex on primary motor cortex during action selection under conflict. The Journal of Neuroscience. 29 (21), 6926-6931 (2009).
  58. Hasan, A., et al. Muscle and timing-specific functional connectivity between the dorsolateral prefrontal cortex and the primary motor cortex. Journal of Cognitive Neuroscience. 25 (4), 558-570 (2013).
  59. Fujiyama, H., et al. Age-Related Changes in Frontal Network Structural and Functional Connectivity in Relation to Bimanual Movement Control. The Journal of Neuroscience. 36 (6), 1808-1822 (2016).
  60. Koch, G., et al. Functional Interplay between Posterior Parietal and Ipsilateral Motor Cortex Revealed by Twin-Coil Transcranial Magnetic Stimulation during Reach Planning toward Contralateral Space. The Journal of Neuroscience. 28 (23), 5944-5953 (2008).
  61. Koch, G., et al. In vivo definition of parieto-motor connections involved in planning of grasping movements. NeuroImage. 51 (1), 300-312 (2010).
  62. Koch, G., et al. Resonance of cortico-cortical connections of the motor system with the observation of goal directed grasping movements. Neuropsychologia. 48 (12), 3513-3520 (2010).
  63. Koch, G., et al. Time course of functional connectivity between dorsal premotor and contralateral motor cortex during movement selection. The Journal of Neuroscience. 26 (28), 7452-7459 (2006).
  64. Koch, G., Rothwell, J. C. TMS investigations into the task-dependent functional interplay between human posterior parietal and motor cortex. Behavioural Brain Research. 202 (2), 147-152 (2009).
  65. Lago, A., et al. Ventral premotor to primary motor cortical interactions during noxious and naturalistic action observation. Neuropsychologia. 48 (6), 1802-1806 (2010).
  66. Picazio, S., Ponzo, V., Koch, G. Cerebellar Control on Prefrontal-Motor Connectivity During Movement Inhibition. The Cerebellum. 15 (6), 680-687 (2015).
  67. Byblow, W. D., et al. Functional Connectivity Between Secondary and Primary Motor Areas Underlying Hand-Foot Coordination. Journal of Neurophysiology. 98 (1), 414-422 (2007).
  68. Rizzo, V., et al. Associative cortico-cortical plasticity may affect ipsilateral finger opposition movements. Behavioural Brain Research. 216 (1), 433-439 (2011).
  69. Rizzo, V., et al. Paired Associative Stimulation of Left and Right Human Motor Cortex Shapes Interhemispheric Motor Inhibition based on a Hebbian Mechanism. Cerebral Cortex. 19 (4), 907-915 (2009).
  70. Koganemaru, S., et al. Human motor associative plasticity induced by paired bihemispheric stimulation. The Journal of Physiology. 587 (19), 4629-4644 (2009).
  71. Arai, N., et al. State-dependent and timing-dependent bidirectional associative plasticity in the human SMA-M1 network. Journal of Neuroscience. 31 (43), 15376-15383 (2011).
  72. Fiori, F., Chiappini, E., Avenanti, A. Enhanced action performance following TMS manipulation of associative plasticity in ventral premotor-motor pathway. NeuroImage. 183, 847-858 (2018).
  73. Chiappini, E., Silvanto, J., Hibbard, P. B., Avenanti, A., Romei, V. Strengthening functionally specific neural pathways with transcranial brain stimulation. Current Biology. 28 (13), 735-736 (2018).
  74. Romei, V., Chiappini, E., Hibbard, P. B., Avenanti, A. Empowering Reentrant Projections from V5 to V1 Boosts Sensitivity to Motion. Current Biology. 26 (16), 2155-2160 (2016).
  75. Zittel, S., et al. Effects of dopaminergic treatment on functional cortico-cortical connectivity in Parkinson's disease. Experimental Brain Research. 233 (1), 329-337 (2014).
  76. Nelson, A. J., Hoque, T., Gunraj, C., Ni, Z., Chen, R. Impaired interhemispheric inhibition in writer's cramp. Neurology. 75 (5), 441-447 (2010).
  77. Murase, N., Duque, J., Mazzocchio, R., Cohen, L. G. Influence of interhemispheric interactions on motor function in chronic stroke. Annals of Neurology. 55 (3), 400-409 (2004).
  78. Bonnì, S., et al. Altered Parietal-Motor Connections in Alzheimer's Disease Patients. Journal of Alzheimer's Disease. 33 (2), 525-533 (2012).
  79. Koch, G., et al. Altered dorsal premotor-motor interhemispheric pathway activity in focal arm dystonia. Movement Disorders. 23 (5), 660-668 (2008).
  80. Koch, G., et al. Hyperexcitability of parietal-motor functional connections in the intact left-hemisphere of patients with neglect. Brain. 131, Pt 12 3147-3155 (2008).
  81. Di Lorenzo, F., et al. Long-term potentiation-like cortical plasticity is disrupted in Alzheimer's disease patients independently from age of onset. Annals of Neurology. 80 (2), 202-210 (2016).
  82. Ponzo, V., et al. Altered inhibitory interaction among inferior frontal and motor cortex in l-dopa-induced dyskinesias. Movement Disorders. 31 (5), 755-759 (2016).
  83. Koch, G., et al. Effect of Cerebellar Stimulation on Gait and Balance Recovery in Patients With Hemiparetic Stroke. JAMA Neurology. 76 (2), 170-178 (2018).
  84. Palomar, F. J., et al. Parieto-motor functional connectivity is impaired in Parkinson's disease. Brain Stimulation. 6 (2), 147-154 (2013).
  85. Udupa, K., et al. Cortical Plasticity Induction by Pairing Subthalamic Nucleus Deep-Brain Stimulation and Primary Motor Cortical Transcranial Magnetic Stimulation in Parkinson's Disease. The Journal of Neuroscience. 36 (2), 396-404 (2016).
  86. Ugawa, Y., Uesaka, Y., Terao, Y., Hanajima, R., Kanazawa, I. Magnetic stimulation over the cerebellum in humans. Annals of Neurology. 37 (6), 703-713 (1995).
  87. Pinto, A. D., Chen, R. Suppression of the motor cortex by magnetic stimulation of the cerebellum. Experimental Brain Research. 140 (4), 505-510 (2001).
  88. Kohl, S., et al. Cortical Paired Associative Stimulation Influences Response Inhibition Cortico-cortical and Cortico-subcortical Networks. Biological Psychiatry. 85 (4), 355-363 (2019).
  89. Casula, E. P., Pellicciari, M. C., Picazio, S., Caltagirone, C., Koch, G. Spike-timing-dependent plasticity in the human dorso-lateral prefrontal cortex. NeuroImage. 143, 204-213 (2016).
  90. Veniero, D., Ponzo, V., Koch, G. Paired Associative Stimulation Enforces the Communication between Interconnected Areas. Journal of Neuroscience. 33 (34), 13773-13783 (2013).
  91. Tremblay, S., et al. Clinical utility and prospective of TMS-EEG. Clinical Neurophysiology. 130 (5), 802-844 (2019).
  92. Johnen, V. M., Neubert, F. X., Buch, E. R., Verhagen, L. Causal manipulation of functional connectivity in a specific neural pathway during behaviour and at rest. eLife. 4, 04585 (2015).
  93. Santarnecchi, E., et al. Modulation of network-to-network connectivity via spike-timing-dependent noninvasive brain stimulation. Human Brain Mapping. 39 (12), 4870-4883 (2018).
  94. Bergmann, T. O., Karabanov, A., Hartwigsen, G., Thielscher, A., Siebner, H. R. Combining non-invasive transcranial brain stimulation with neuroimaging and electrophysiology: Current approaches and future perspectives. NeuroImage. 140, 4-19 (2016).
  95. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Screening questionnaire before TMS: An update. Clinical Neurophysiology. 122 (8), 1686 (2011).
  96. Keel, J. C., Smith, M. J., Wassermann, E. M. A safety screening questionnaire for transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 112 (4), 720 (2001).
  97. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord and roots: basic principles and procedures for routine clinical application. Report of an IFCN committee. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 91 (2), 79-92 (1994).
  98. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  99. Wassermann, E. M. Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation: report and suggested guidelines from the International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 108 (1), 1-16 (1998).
  100. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety of TMS Consensus Group. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clinical Neurophysiology. 120 (12), 2008-2039 (2009).
  101. Oldfield, R. C. The assessment and analysis of handedness: the Edinburgh inventory. Neuropsychologia. 9 (1), 97-113 (1971).
  102. Villamar, M. F., et al. Technique and Considerations in the Use of 4x1 Ring High-definition Transcranial Direct Current Stimulation (HD-tDCS). Journal of Visualized Experiments. (77), e50309 (2013).
  103. Sack, A. T., et al. Optimizing functional accuracy of TMS in cognitive studies: a comparison of methods. Journal of Cognitive Neuroscience. 21 (2), 207-221 (2009).
  104. Yousry, T. A., et al. Localization of the motor hand area to a knob on the precentral gyrus. A new landmark. Brain. 120, Pt 1 141-157 (1997).
  105. Groppa, S., et al. A practical guide to diagnostic transcranial magnetic stimulation: Report of an IFCN committee. Clinical Neurophysiology. 123 (5), 858-882 (2012).
  106. Cattaneo, L., et al. A cortico-cortical mechanism mediating object-driven grasp in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (3), 898-903 (2005).
  107. Hebb, D. O. The organization of behavior: A neurophysiological approach. , (1949).
  108. Caporale, N., Dan, Y. Spike Timing-Dependent Plasticity: A Hebbian Learning Rule. Annual Review of Neuroscience. 31 (1), 25-46 (2008).
  109. Markram, H., Lübke, J., Frotscher, M., Sakmann, B. Regulation of synaptic efficacy by coincidence of postsynaptic APs and EPSPs. Science. 275 (5297), 213-215 (1997).
  110. Jackson, A., Mavoori, J., Fetz, E. E. Long-term motor cortex plasticity induced by an electronic neural implant. Nature. 444 (7115), 56-60 (2006).
  111. Koch, G., Ponzo, V., Di Lorenzo, F., Caltagirone, C., Veniero, D. Hebbian and Anti-Hebbian Spike-Timing-Dependent Plasticity of Human Cortico-Cortical Connections. Journal of Neuroscience. 33 (23), 9725-9733 (2013).
  112. Romei, V., Thut, G., Silvanto, J. Information-Based Approaches of Noninvasive Transcranial Brain Stimulation. Trends in Neurosciences. 39 (11), 782-795 (2016).
  113. Carson, R. G., et al. Excitability changes in human forearm corticospinal projections and spinal reflex pathways during rhythmic voluntary movement of the opposite limb. The Journal of Physiology. 560, Pt 3 929-940 (2004).

Tags

Neurovidenskab transkraniel magnetisk stimulation kortico-kortikale forbindelser parret associativ stimulation motorcortex kortikal excitabilitet motorkontrol målrettet adfærd
Måling og manipulation funktionelt specifikke neurale veje i det menneskelige motorsystem med tværkraniel magnetisk stimulation
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Goldenkoff, E. R., Mashni, A.,… 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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter