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Neuroscience

Mesurer et manipuler des voies neuronales fonctionnellement spécifiques dans le système moteur humain avec stimulation magnétique transcrânienne

doi: 10.3791/60706 Published: February 23, 2020

Summary

Cet article décrit de nouvelles approches pour mesurer et renforcer les voies neurales fonctionnellement spécifiques avec la stimulation magnétique transcrânienne. Ces méthodes avancées de stimulation cérébrale non invasive peuvent offrir de nouvelles possibilités pour la compréhension des relations cerveau-comportement et le développement de nouvelles thérapies pour traiter les troubles cérébraux.

Abstract

Comprendre les interactions entre les zones du cerveau est important pour l’étude du comportement orienté vers l’objectif. La neuroimagerie fonctionnelle de la connectivité cérébrale a fourni des informations importantes sur les processus fondamentaux du cerveau comme la cognition, l’apprentissage et le contrôle moteur. Cependant, cette approche ne peut pas fournir de preuves causales pour la participation des zones d’intérêt du cerveau. La stimulation magnétique transcrânienne (SMT) est un outil puissant et non invasif pour étudier le cerveau humain qui peut surmonter cette limitation en modifiant transitoirement l’activité cérébrale. Ici, nous soulignons les progrès récents utilisant une méthode TMS à impulsion souillée et à double site avec deux bobines qui sondent de façon causale les interactions cortico-corticales dans le système moteur humain dans différents contextes de tâches. En outre, nous décrivons un protocole de TMS dual-site basé sur la stimulation associative jumelée corticale (cPAS) qui augmente transitoirement l’efficacité synaptique dans deux secteurs interconnectés de cerveau en appliquant des paires répétées de stimulus corticaux avec deux bobines. Ces méthodes peuvent fournir une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents à la fonction cognitive-motrice ainsi qu’une nouvelle perspective sur la manipulation de voies neuronales spécifiques d’une manière ciblée pour moduler les circuits cérébraux et améliorer le comportement. Cette approche peut s’avérer un outil efficace pour développer des modèles plus sophistiqués de relations cerveau-comportement et améliorer le diagnostic et le traitement de nombreux troubles neurologiques et psychiatriques.

Introduction

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La stimulation cérébrale non invasive est un outil d’évaluation et de traitement prometteur pour de nombreux troubles neurologiques, tels que la maladie de Parkinson, la maladie d’Alzheimer, et l’AVC1,2,3,4. Il y a des preuves d’accumulation établissant la relation entre les manifestations comportementales des maladies neurologiques et des anomalies de l’excitabilité corticale, de la neuroplasticité, de la cortico-cortico-corticocoet et de la connectivité cortico-subcortical5,6. Par conséquent, les connaissances de base sur la dynamique et la plasticité des réseaux cérébraux dans les conditions neurologiques peuvent fournir un aperçu inestimable sur le diagnostic de la maladie, la progression et la réponse à la thérapie. L’imagerie parrésonance magnétique fonctionnelle (IRM) est un outil utile pour comprendre les relations complexes entre le cerveau et le comportement dans les réseaux cérébraux sains et malades et a le potentiel d’améliorer le traitement basé sur une perspective de réseau7,8,9. Cependant, fMRI est de nature corrélationnelle et ne peut pas fournir un lien de causalité entre la fonction cérébrale et le comportement, ni manipuler la connectivité fonctionnelle pour restaurer les circuits neuronaux anormaux associés à des déficiences comportementales chez les patients10,11,12. La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) peut à la fois mesurer et moduler la fonction et le comportement du cerveau humain dans la santé et la maladie3,13,14,15.

TMS est une méthode sûre et non invasive pour stimuler le cerveau humain16,17et peut être utilisé pour induire et mesurer la plasticité18. Cette méthode peut faire progresser notre compréhension des relations causales entre les différentes zones du cerveau et le comportement10,11,12,19et leurs interactions fonctionnelles spécifiques avec d’autres nœuds d’un réseau cérébral20,21,22,23. À ce jour, la plupart des études se sont concentrées sur le système moteur humain, étant donné que tMS à la zone de la main du cortex moteur (M1) peut produire des potentiels évoqués moteur (MEPs) comme des readouts physiologiques pour les changements liés au comportement moteur24, permettant l’examen de différents circuits inhibiteurs et excitateurs au niveau du système dans le cerveau humain25. Les progrès récents utilisant une approche de test de conditionnement TMS avec deux bobines montrent qu’il est possible de mesurer les interactions fonctionnelles entre les différentes zones corticales. Dans le système moteur, les expériences TMS à deux sites montrent que les entrées des zones corticales interconnectées avec M1 peuvent changer avec les exigences des tâches, l’âge ou la maladie14,26. Les travaux séminals de Ferbert et de ses collègues ont révélé que l’application d’un stimulus de conditionnement à M1 avant un stimulus d’essai de l’autre M1 peut entraîner une inhibition de l’amplitude de l’eurodéputé, un phénomène connu sous le nom d’inhibition interhémisphérique à intervalles courts (SIHI)28. Un certain nombre d’études TMS utilisant cette approche ont également montré que M1 est fortement interconnecté avec le M1 contralatéral, cortex prémoteur ventral (PMv), cortex prémoteur dorsal (PMD), zone motrice supplémentaire (SMA), pré-SMA, cortex sensoriel primaire (S1), cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC), et cortex pariétal postérieur (PPC) au repos27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42. Fait intéressant, l’effet de la stimulation de ces zones corticales sur l’excitabilité corticale motrice est anatomiquement, temporellement et fonctionnellement spécifique à l’activité cérébrale continue pendant la préparation d’un mouvement (état et contexte-dépendant43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69). Cependant, très peu d’études utilisant le TMS dual-site ont caractérisé des modèles de connectivité cortico-corticale fonctionnelle avec des affaiblissements moteurs et cognitifs dans les patients présentant des désordres de cerveau70,71,72. Cela permet de développer de nouvelles méthodes d’évaluation et de traitement des troubles moteurs et cognitifs.

En utilisant cette technique, il a également été constaté que des paires répétées de TMS cortical appliqués à des zones corticales interconnectées avec M1 tels que contralatérale M168,69,70, PMv76,77,78, SMA71, et PPC80,81,82peut induire des changements dans l’efficacité synaptique dans des voies neuronales spécifiques basées sur le principe hebbien de l’association plasticité83 ,84,85,86 et améliorer la performance comportementale72,73,74. Pourtant, peu d’études ont utilisé cette approche pour étudier le circuit et le dysfonctionnement de plasticité dans les désordres neurologiques2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96. Il reste à montrer si le renforcement des voies neuronales fonctionnellement spécifiques avec TMS peut restaurer l’activité dans les circuits dysfonctionnels, ou si le renforcement éventuel du circuit intact peut augmenter la résilience97 dans les réseaux cérébraux soutenant la fonction motrice et cognitive tout au long de la durée de vie et dans la maladie. Le manque de compréhension fondamentale des mécanismes neuronaux sous-jacents aux troubles neurologiques et aux effets de la stimulation sur les réseaux cérébraux dysfonctionnels interconnectés limite le traitement actuel.

Malgré ses capacités, TMS n’est pas encore devenu une partie standard de l’armamentarium des neurosciences et des outils cliniques pour comprendre les relations cerveau-comportement, la pathophysiologie des troubles cérébraux, et l’efficacité du traitement. Par conséquent, pour réaliser son potentiel et soutenir son application à grande échelle, il est important de normaliser les méthodes De SMT parce qu’il est plus susceptible d’accroître la rigueur des futures expériences TMS et la reproductibilité dans les laboratoires indépendants. Cet article décrit comment TMS peut être utilisé à la fois pour mesurer et manipuler les interactions fonctionnelles. Ici, nous décrivons cette technique dans le système moteur (par exemple, voie parieto-moteur44) en mesurant les mesures de sortie basées sur tMS (par exemple, les eurodéputés), où la méthode est la mieux comprise. Cependant, il est important de noter que ce protocole peut également être adapté pour cibler le couplage fonctionnel d’autres sous-corticales85, cerebellar86,87, et les zones corticales. 73,74,88 En outre, les techniques de neuroimagerie telles que l’EEG89,90,91 et fMRI92,93 peuvent être utilisés pour évaluer les changements induits par tMS dans l’activité et la connectivité26,94. Nous concluons en proposant que l’étude de la participation fonctionnelle de la connectivité corticale au niveau du circuit avec ces méthodes de SMT dans la santé et la maladie permet de développer des diagnostics ciblés et des thérapies innovantes basées sur des modèles de réseau plus sophistiqués de relations cerveau-comportement.

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Protocol

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Les trois méthodes tMS suivantes sont décrites ci-dessous. Tout d’abord, deux méthodes sont décrites pour mesurer la connectivité cortico-cortica le plus à l’aide d’une stimulation magnétique transcrânienne à double site (dsTMS) alors que les participants sont soit 1) au repos (état de repos) ou 2) effectuant un mouvement de portée à la prise orienté objet ( tâche dépendante). Deuxièmement, une méthode corticale de stimulation associative appariée (CPAS) est décrite pour moduler l’interaction entre deux zones du cerveau d’une manière contrôlée en jumelant des stimuli corticaux (p. ex., cortices pariétals postérieurs et moteurs primaires) pour renforcer les cortices fonctionnels voies neuronales spécifiques avec TMS et induire des changements dans l’excitabilité corticale. Un ensemble de données représentatif est fourni pour chaque méthode. Toutes les méthodes décrites dans ce protocole ont été approuvées par la Commission d’examen institutionnel de l’Université du Michigan conformément à la Déclaration d’Helsinki.

1. Recrutement des participants

  1. Savant tous les participants pour toute contre-indication à TMS95,96,97,98,99,100 et l’imagerie par résonance magnétique (IRM) avant le recrutement. Recruter les participants droitiers101 pour des expériences sur la connectivité fonctionnelle dans le système moteur.
  2. Informer chaque participant des objectifs, des procédures et des risques de l’étude approuvés par le comité d’examen institutionnel local. Obtenir le consentement écrit avant de permettre à la personne de participer à l’étude.

2. Electromyographie (EMG) Placement d’électrodes

  1. Demandez au participant de s’asseoir confortablement dans la chaise expérimentale avec les deux bras soutenus dans une position détendue. Fournir un repose-menton aux participants pendant le SMT afin de réduire au minimum le mouvement de la tête pendant la stimulation.
  2. Nettoyez la peau sur le muscle d’intérêt avec un abrasif doux. À l’aide d’un dispositif d’électrode de tendon de ventre, placez une électrode jetable d’Ag-AgCl sur le muscle de ventre et une autre sur un repère osseux à proximité pour un emplacement de référence sur les deux mains du participant. Répétez cette étape pour chaque muscle d’intérêt.
  3. Connectez une électrode au sol au processus ulnaire styloid. Il est important d’inspecter le niveau de contact de surface des électrodes avec la peau pendant toute la durée de l’expérience, car cela empêche la qualité d’impédance du signal EMG. Placer du ruban adhésif sur l’électrode de surface peut améliorer le degré de contact avec la surface de la peau.
    REMARQUE : Pour les actions de portée-à-saisir les muscles communs étudiés sont 1) les premiers interosseous dorsal (FDI), 2) les brevis de pollicis d’abducteur (APB), et 3) les muscles de minimi de digiti d’abducteur (ADM) de la main.
  4. Connectez les électrodes de surface avec un amplificateur EMG et un système d’acquisition de données. Enregistrez et stockez les signaux EMG de l’amplificateur à l’ordinateur de collecte de données avec le logiciel EMG pour la surveillance en ligne et l’analyse hors ligne du signal EMG. En option, amplifiez le signal EMG 1000x, et utilisez un filtre de bande-passe entre 2 Hz et 2.5 kHz, numérisé à 5 kHz par une interface analogique-numérique.

3. Localiser les zones cérébrales pour le SMT ciblé

  1. Méthode 1 : Localisation sans IRM
    1. Utilisation de la marque C3 du système EEG 10-20, située à peu près au-dessus du cortex moteur primaire gauche (M1), et De P3, située à peu près au-dessus d’une partie du gyrus angulaire dans le cortex pariétal postérieur gauche (PPC), sur le cuir chevelu du participant. Se référer aux méthodes précédemment décrites102 pour des étapes spécifiques pour localiser les zones du cerveau avec le système 10-20 EEG (voir les figures 3 et 4 de Villamar et al.102).
    2. Alternativement, un bouchon de tête d’électroencéphalographie (EEG) peut être employé pour approximer les secteurs de cerveau sur le cuir chevelu. Placez un capuchon EEG de taille appropriée sur la tête du participant et alignez la position Cz sur le bouchon avec la position Cz marquée sur le cuir chevelu du participant. Marquez C3 et P3 à l’aide du bouchon.
      REMARQUE : La localisation sans IRM d’une personne peut être inexacte103. Par conséquent, la neuronavigation basée sur l’IRM est fortement recommandée pour augmenter la précision et la fiabilité du ciblage du SMT. Cela peut potentiellement conduire à moins de variabilité dans les séquelles induites par le TMS.
  2. Méthode 2 : Utilisation d’une IRM
    1. Avant la séance tMS, obtenir l’IRM structurelle (T1) du participant. Téléchargez l’analyse dans un système de neuronavigation.
    2. Créez une reconstruction tridimensionnelle du cerveau et de la peau à l’aide du logiciel de neuronavigation. Placez les marqueurs sur les repères anatomiques à l’extrémité du nez, la nasion, l’inion, et les encoches préauriculaires des deux oreilles. N’utilisez pas le tragus car il peut se déplacer lorsque des bouchons d’oreille sont insérés.
    3. Localiser le bouton de la main, le repère anatomique qui correspond à M1104, dans le gyrus précentral gauche. Placez un marqueur de trajectoire à ce point avec le système de neuronavigation. Ce point doit être aligné à 45 degrés de la ligne midsagittal et approximativement perpendiculaire au sulcus central. Enregistrer et nommer le point de repère anatomique avec le système de neuronavigation (Figure 1).
    4. Localiser la zone d’intérêt non motrice (p. ex., au-dessus de la zone antérieure de sulcus intrapariétal dans le PPC). Placez un deuxième marqueur de trajectoire au-dessus de ce repère anatomique. Enregistrez et nommez l’emplacement avec le système de neuronavigation (figure 1).
  3. Effectuer l’enregistrement de bobines et de têtes avec le système de suivi
    1. Calibrer les deux bobines TMS avec le bloc d’étalonnage séparément en utilisant le système de neuronavigation.
    2. Placez le traqueur de tête solidement sur la tête du participant afin que le tracker soit en vue pendant toute la durée de l’expérience.
    3. Coenregistrez les repères anatomiques sur la tête du participant au système de neuronavigation. Si une IRM n’a pas été obtenue auprès du participant, utilisez un modèle d’IRM de l’Institut neurologique de Montréal.
      REMARQUE : Il est important de ne pas appliquer trop de force avec le pointeur sur la peau du participant pour éviter l’inconfort et les inexactitudes lors de l’enregistrement. Il peut être utile de vérifier régulièrement tout au long de l’expérience que le traqueur de tête n’a pas changé. Ces procédures assurent la précision lors de l’application de la bobine TMS à une zone cible pour la stimulation au cours de l’expérience.

4. Localiser la position optimale de bobine de TMS et déterminer des seuils

REMARQUE : Dans cette expérience, CoilM1 fait référence à la bobine utilisée pour fournir la stimulation à M1, tandis que CoilTwo se réfère à la bobine utilisée pour fournir la stimulation à l’autre zone corticale d’intérêt (par exemple, cortex pariétal postérieur). Le seuil au-dessus de M1 doit être déterminé pour que CoilTwo calcule la sortie maximale du stimulateur (MSO) utilisée sur les zones non motrices. Les valeurs de seuil moteur doivent être signalées pour permettre des comparaisons et une reproductibilité entre les expériences.

  1. Localisation et seuil avec CoilTwo
    1. Placez le centre de CoilTwo au-dessus de l’emplacement m1 cible identifié dans la section précédente pour induire une direction postérieure-antérieure actuelle dans le cerveau.
    2. Pour trouver l’emplacement optimal pour l’activation du muscle cible, versez des impulsions à M1 à 30% de l’ASM de la machine. Observez si la stimulation délivrée produit une secousse musculaire et déterminez l’amplitude du potentiel évoqué par le moteur (MEP) enregistré avec les électrodes EMG à partir de l’activité musculaire affichée par le système d’acquisition de données.
    3. Si un mep ou une secousse musculaire visible n’est pas observé, continuer à augmenter la sortie du stimulateur de 5% incréments. La position, la rotation, la hauteur et le lacet de la bobine TMS peuvent devoir être ajustés pour optimiser l’amplitude de l’eurodéputé. Répétez cette opération jusqu’à ce qu’une réponse soit observée.
    4. Abaissez l’intensité d’une manière progressive à la plus faible intensité qui produit au moins 5 réponses sur 10 MEP avec une amplitude de 50 V alors que le participant est au repos97,98,105. Il s’agit du seuil moteur de repos (RMT).
    5. Assurez-vous pendant toute la durée de la séance de seuil que les deux mains sont en position de repos avec les deux bras et les mains soutenues avec des oreillers.
    6. Fournir une rétroaction visuelle ou auditive en temps réel de l’activité musculaire de l’EMG (p. ex., sur un moniteur ou un haut-parleur) tout au long de la séance, surtout s’il y a une activité musculaire excessive (p. ex., les populations d’adultes plus âgés).
    7. Demandez continuellement aux participants les niveaux de confort.
      REMARQUE : Il est important que toutes les procédures décrites ci-dessus soient exécutées séparément et répétées pour chaque bobine de SMT afin de déterminer les paramètres spécifiques utilisés dans l’expérience pour les différentes bobines de taille (p. ex., localiser la position optimale de bobine de SMT et déterminer intensités de stimulation pour le seuil moteur). Il est également important que l’intervalle entre les impulsions TMS est de 5 s pour éviter d’induire des changements dans l’excitabilité corticale.
  2. Localisation et seuil avec CoilM1
    1. Répétez les étapes décrites ci-dessus pour trouver l’emplacement optimal de stimulation avec la bobineM1.
    2. Déterminer l’intensité de stimulateur la plus faible nécessaire pour générer des eurodéputés de 1 mV dans 5 des 10 essais dans le muscle de la main cible lorsque le muscle est complètement détendu. Marquez et enregistrez la position de CoilM1 à l’aide du système de neuronavigation.

5. TMS à deux sites (État de repos)

  1. Utilisez deux bobines en forme de figure-8 (p. ex. CoilM1 et CoilTwo) reliées à deux stimulateurs TMS individuels (p. ex., deux magstim 2002 unités). Fournir les stimuli d’essai (TS) sur M1 avec CoilM1 (p. ex., bobine en forme de figure D702-8, diamètre extérieur de la boucle est de 7 cm) et les stimuli de conditionnement (CS) à l’autre zone d’intérêt avec CoilTwo. (p. ex., D50 Alpha B.I., diamètre extérieur de chaque boucle est de 5 cm).
  2. Déterminer le pourcentage de l’intensité de l’ASO pour le stimulus de conditionnement (CS) pour CoilTwo.
    REMARQUE : Le pourcentage de l’intensité de l’ASM se situe souvent entre 70 et 140 RMT et dépendra des paramètres et des objectifs spécifiques de l’expérience (voir le tableau 3 de Lafleur etal.14). Pour cette expérience, le CS a été fixé à 90% de RMT, similaire aux paramètres utilisés ailleurs35,44,60.
  3. Pour le stimulus d’essai (TS), utilisez l’intensité précédemment déterminée qui suscite des amplitudes d’eurodéputé de 1 mV dans le muscle de la main quiescent ciblé.
  4. Définir l’intervalle d’interstimulus précis (ISI) entre le CS et le TS.
  5. Utilisez le logiciel de contrôle fourni ou le contrôle externe via les impulsions TTL pour contrôler l’ISI pour les deux impulsions. L’ISI varie souvent de 4 à 20 ms (voir le tableau 1 de Lafleur etal.14). Pour cette expérience, le CS à PPC a précédé le TS à M1 par un ISI de 5 ms.
  6. À l’aide d’un script de codage sur mesure, générer au hasard les essais TMS à impulsion unique (TS seul) et les essais TMS à impulsion soudée (CS-TS) à l’ISI spécifié.
  7. Position CoilM1 sur la gauche M1 et position CoilTwo sur l’autre domaine d’intérêt.
  8. Livrer les essais TS seul avec CoilM1. Pour les essais à impulsions jumelées (CS-TS), livrez le CS avec CoilTwo suivi du TS à CoilM1 aux ISI prédéterminés. Ceci est illustré dans la figure 2. Répétez un minimum de 12 essais pour chaque condition. Fournir le TS au moins 1 s après le début de l’essai pour recueillir l’activité EMG préstimulus. Utilisez un balayage d’acquisition de données de 4 s pour chaque essai suivi d’un intervalle intertrial de 1 s.
  9. Au besoin, ajustez légèrement les positions de bobine sMT pour tenir compte du placement des deux bobines au-dessus des emplacements ciblés choisis sur la tête du participant. Ajustez et enregistrez le nouvel emplacement de CoilM1 et CoilTwo en utilisant le système de neuronavigation en conséquence.
  10. Utilisez le bouton de déclenchement de la machine TMS pour le logiciel de contrôle fourni ou le script de codage sur mesure du contrôleur externe pour fournir les impulsions TMS programmées.
    REMARQUE : Pour cette expérience, un système d’acquisition de données (p. ex., CED Micro 1401) et un logiciel (p. ex., Signal version 7) ont été utilisés pour générer des stimuli, capturer des données, contrôler l’équipement externe et exécuter l’analyse. Les scripts de codage sur mesure utilisés pour exécuter et analyser les données des expériences sont disponibles auprès de l’auteur correspondant.

6. TMS à deux sites (Contexte de tâche)

REMARQUE : Le TMS à deux sites peut également être utilisé pour vérifier si la connectivité fonctionnelle au repos peut être modulée par différents contextes de tâches.

  1. Suivez la même méthode décrite dans la section ci-dessus pour examiner les interactions fonctionnelles entre les différentes zones corticales interconnectées à M1, mais pendant la phase préparatoire d’une tâche qui engage le réseau (par exemple, pendant le plan d’action pour une prise).
  2. Déterminer le cours de temps et une zone d’intérêt cortical (p. ex. PPC) pour étudier les interactions fonctionnelles avec M1 lors de la préparation d’un plan de mouvement complexe (p. ex., poignée de précision pilotée par un objet ou prise à main entière43,44,45,46,47,48,49,106) pour les muscles sélectifs de la main.
  3. À l’aide d’un script de codage sur mesure, générer au hasard le calendrier des essais TS seuls et des essais à impulsions couplées (CS-TS) à un ISI donné après le signal « GO » pendant la période de temps de réaction (phase du plan) de sorte que les enregistrements du PEOA sont recueillis avant le mouvement. initiation (période de prémouvement) pour la tâche.
  4. Fournir des sondes TMS (TS seulement) ou TMS à impulsion scinière (CS-TS) entre 50 et 800 ms après la queue « GO »47,49 pendant le plan d’action des mouvements complexes de la main. Voir La figure 3 pour le moment d’un essai lié à l’événement pour cette expérience. Les scripts de codage sur mesure utilisés pour exécuter le calendrier des essais liés à l’événement sont disponibles auprès de l’auteur correspondant.
    1. Avant la séance d’essai avec TMS, demandez au participant d’effectuer la tâche pendant un minimum de 50 essais pratiques afin d’établir un temps de réaction cohérent. Encouragez le participant à poser des questions sur la tâche afin d’assurer des performances fiables pendant la séance d’essai avec TMS.
    2. Utilisez le script de codage sur mesure pour fournir toutes les combinaisons de TMS à impulsion unique (TS seul) ou de TMS à impulsion souillée (CS-TS) et de tâches (p. ex., saisir un haut plus petit ou saisir un objet inférieur plus grand) pendant la période de réaction (phase du plan) de sorte que les enregistrements du PEOA sont recueillies avant l’initiation réelle du mouvement.

7. Stimulation associative corticale (CPAS)

REMARQUE : Ce protocole consiste à délivrer des paires d’impulsions monophasiques à deux zones corticales différentes sur de courtes périodes pour induire des changements spécifiques à la voie de la force synaptique entre les connexions dans le cerveau humain. Cette approche est basée sur les principes hebbiens de la plasticité dépendante du chronométrage de pointe107,108,109,110. Semblable aux méthodes de TMS à double site, cPAS est livré avec deux machines TMS reliées à deux bobines TMS individuelles sur deux zones corticales différentes (par exemple, PPC et M1).

  1. À l’aide d’un script de codage sur mesure, générer 100 paires de stimuli à 0,2 Hz (durée de 8,3 min chacune). Pour l’état expérimental de cPASDeux-M1, délivrez les premiers stimulus au-dessus de la zone non motrice (par exemple, PPC) avec CoilTwo avec une intensité spécifiée d’impulsion (par exemple, RMT de 90 %) pendant 5 ms avant le deuxième stimulus au-dessus de M1 avec CoilM1 avec une intensité d’impulsion qui suscite une amplitude d’un MEP de 1 mV dans le muscle de la main ciblé.
  2. Il est important de contrôler pour: 1) la directionnalité de la connectivité (CTRLM1-Deux); 2) timing (CTRLISI 500ms); et 3) site de stimulation (CTRL Control site-M1) dans des sessions séparées. Pour des exemples voir72,74,111,112. Les scripts de codage sur mesure pour chaque condition cPAS sont disponibles auprès de l’auteur correspondant. Les paramètres de stimulation (p. ex. intensités et ISI) peuvent être ajustés pour différentes zones corticales. Consultez le tableau 2 de Lafleur et coll.14 pour un résumé des protocoles de plasticité.
  3. Utilisez les procédures décrites dans les sections précédentes pour guider l’emplacement précis des bobines TMS.
  4. Obtenir des mesures cortico-spinales de base avec CoilM1 (p. ex., 24 députés européens).
  5. Randomisez les participants à l’un des quatre groupes d’intervention : 1) cPAS Two-M1; 2) CTRLM1-Deux; 3) CTRLISI 500ms; 4) CTRL Control site M1.
  6. Pour cette expérience, seule l’état expérimental de cPAS Two-M1 a été testé et le PPC a été utilisé comme zone d’intérêt. Lors de l’exécution de plusieurs sessions sur le même participant, il est important que chaque session expérimentale soit séparée par au moins 48 h dans un ordre aléatoire pour prévenir les effets de croisement. Il est également important de répéter les séances au sein de chaque participant à la même heure de la journée pour contrôler la vigilance.
  7. Utilisez le script de codage sur mesure pour fournir l’état cPAS spécifié.
  8. Surveillez l’activité musculaire de l’autre main (gauche) pendant l’expérience avec EMG pour vous assurer que la main est complètement détendue pendant le protocole.
  9. Obtenir des mesures cortico-spinales avec CoilM1 (par exemple, environ 24 députés) à des moments différents après le CPAS (p. ex. 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 min) pour examiner le cours du temps de l’effet induit par le TMS sur l’excitabilité cérébrale.
    REMARQUE : Le protocole expérimental utilisé ici est indiqué à la figure 4. La plupart des études menées jusqu’à présent ont porté sur le système moteur parce que l’eurodéputé est une mesure fiable des résultats. Cependant, les mesures comportementales72,73,74 et la force de connectivité fonctionnelle avec irrémoimin92,93 et EEG89,90 suite à la manipulation TMS de la plasticité associative peuvent également être étudiées. Ces méthodes peuvent également être adoptées pour différentes zones corticales qui n’incluent pas M1 comme cible corticale.

8. Traitement et analyse des données

  1. Inspecter visuellement les données EMG hors ligne et jeter toute trace montrant l’activité musculaire dans laquelle la racine moyenne activité carrée EMG dans les muscles a dépassé un niveau de fond de 10 V au cours des 100 ms immédiatement avant le pouls TMS pour s’assurer que les muscles étaient au repos59,113.
  2. De même, jetez tous les essais avec l’activité EMG qui coïncident avec l’impulsion TMS pendant la période de préparation du mouvement (par exemple, 800 ms fenêtre47,49) dans les essais de contexte de tâche TMS à deux sites pour exclure les réponses d’anticipation.
  3. Pour chaque essai mep, mesurer l’amplitude de pointe à pointe entre les valeurs minimales et maximales en mV dans la fenêtre de temps entre 50 ms avant et 100 ms après le TS105.
  4. Calculez la moyenne des amplitudes des mep en millivolts des essais TS seuls et des essais à impulsions jumelées (CS-TS) pour chaque participant. Calculez la moyenne entre tous les participants. Signalez ces valeurs.
  5. Ensuite, normalisez l’amplitude moyenne de l’eurodéputé à partir d’essais de stimulation à impulsions paires (CS-TS) provenant des essais non conditionnés à impulsion unique (TS seulement) pour chaque participant et condition. Exprimez les amplitudes de l’eurodéputé comme rapport à l’état TS de base.

Equation 1

  1. Calculez la moyenne entre tous les participants. Signalez ces valeurs.

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Representative Results

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La figure 5 montre la taille d’une réponse exemplaire de l’EPM obtenue dans le muscle de l’IED par TMS pour un stimulus d’essai non conditionné (TS seul à M1, trace bleue) ou des stimuli conditionnés de PPC (CS-TS, trace rouge) alors que le participant était au repos (panneau supérieur) ou la planification d’une action de saisie orientée vers l’objectif à un objet (panneau inférieur). Au repos, le PPC exerce une influence inhibitrice sur l’ipsilatéral M1, comme le montre la diminution des amplitudes de MEP potentialisées par un sous-seuil CS livré au-dessus de PPC 5 ms avant un TS suprathreshold au-dessus de M1 (panneau supérieur). Pendant la préparation d’une action de prise, ce lecteur inhibiteur net au repos de PPC est passé à la facilitation (une libération d’inhibition). Pour comparer directement les interactions PPC-M1 pendant les demandes de repos par rapport aux demandes de tâches, les amplitudes du PEOA ont été normalisées aux essais TS seuls pour chaque condition et tracées comme ratio pour l’amplitude des PEOA. L’interaction PPC-M1 a été facilitée par le repos lors de la planification d’une prise dirigée par l’objet (barres violettes).

Le panneau supérieur de la figure 6 montre les changements dans les amplitudes des PEOA pendant l’administration du protocole cPAS. Les amplitudes d’mep induites par la stimulation paire de PPC et de M1 ont graduellement augmenté au fil du temps pendant le protocole de stimulation, suggérant des effets plastiques au niveau de la connexion parieto-motrice, neurones corticospinaux de M1, ou les deux. Le panneau inférieur de la figure 6 montre les changements dans les amplitudes des PEOA obtenues dans le muscle de l’IED au repos par tMS à impulsion unique sur M1 avant et après le protocole cPAS. La taille des amplitudes d’MEP a augmenté 10 min après le protocole de cPAS, suggérant des après-effets d’excitabilité de moteur ont été induits après l’administration des paires répétées des stimulus corticaux au-dessus de PPC et de M1.

Figure 1
Figure 1 : Reconstruction tridimensionnelle de l’IRM anatomique d’un participant typique avec des sites corticaux marqués au-dessus du cortex moteur primaire (M1, symbole bleu) et du cortex pariétal postérieur (PPC, symbole rouge) dans l’hémisphère gauche. Le logiciel de neuronavigation pour TMS a été employé pour cibler les secteurs corticaux individuellement déterminés avec chaque bobine de TMS de figure-8. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Représentation schématique de la stimulation magnétique transcrânienne à double site à impulsion sccouplée avec deux bobines (dsTMS) utilisées pour sonder les interactions fonctionnelles entre le cortex pariétal postérieur (PPC) et le cortex moteur primaire (M1) au repos (état de repos). Un CS a été appliqué au CPP pour examiner son effet sur un TS supraseuil subséquent à M1. Tout changement dans l’amplitude de la réponse musculaire de droite à TMS est mesuré avec EMG. Pour cette expérience, l’intensité CS était de 90% de RMT. L’intensité de la TS a été ajustée pour obtenir un eurodéputé de 1 mV de pointe à pic dans l’IED et le SMA détendus. L’ISI entre les impulsions était de 5 ms. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : L’approche dsTMS utilisée pour sonder les interactions fonctionnelles entre PPC et M1 au cours d’un mouvement de portée à la prise (contexte de tâche). L’éclairage d’une LED a demandé au participant de planifier l’une des deux actions possibles de la main droite sur l’objet cible : 1) saisir le cylindre supérieur plus petit ou 2) saisir le cylindre inférieur plus grand. TS seul ou CS-TS à l’ISI spécifié (par exemple, 5 ms) a été livré 300 ms après le signal «GO» (p. ex., début de LED) pendant la période de réaction (phase du plan) de sorte que les enregistrements des PEOA ont été recueillis avant l’initiation réelle du mouvement (ligne noire pointillée). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Schéma tique du protocole de stimulation associative jumelé corticale (CPAS) utilisé pour renforcer les voies neuronales fonctionnellement spécifiques. Le premier stimulus a été appliqué à la zone d’intérêt avec CoilTwo (p. ex. PPC, bobine rouge) 5 ms avant que le deuxième stimulus ne soit livré à M1 (enroule bleue) avec CoilM1. Les paires de stimuli corticaux ont été délivrées à une fréquence de 0,2 Hz (une fois tous les 5 s) et répétées pendant 100 essais (8,3 min). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5 : L’eurodéputé exemplaire trace un stimulus d’essai non conditionné (TS seul, trace bleue) ou un stimulus conditionné (CS-TS, trace rouge) pour l’état de repos (panneau supérieur) et l’état de dépendance au contexte (panneau inférieur). Les graphiques à barres montrent les amplitudes du PEOA du protocole dsTMS pendant que le participant est au repos ou effectue une tâche de saisie (action). Lorsque le participant était au repos (panneau supérieur), CS-TS (barre rouge) a diminué l’amplitude moyenne des eurodéputés (inhibition) par rapport à la TS non conditionnée seule (barre bleue). En revanche, lorsque le participant a planifié la tâche de portée à saisir (panneau inférieur), l’amplitude moyenne de l’eurodéputé a augmenté (facilitation) pour les essais CS-TS (barre rouge) par rapport aux essais TS seuls (barre bleue). Pour comparer directement l’interaction PPC-M1 pour le repos par rapport à l’état d’action, l’amplitude moyenne de l’eurodéputé obtenue par stimulation à impulsions paires (CS-TS) a été normalisée en calculant le rapport de l’amplitude par rapport à l’amplitude moyenne non conditionnée de l’eurodéputé (TS seulement). Les barres violettes représentent l’amplitude mep normalisée pour chaque condition. Y - 1 n’indique aucun effet de CS sur l’excitabilité M1 (ligne noire pointue), tandis que les ratios supérieurs à 1 indiquent une augmentation de l’excitabilité M1 et les ratios inférieurs à 1 indiquent une diminution de l’excitabilité M1 en raison de stimuli conditionnés (CS-TS). Les barres d’erreur représentent SEM. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6
Figure 6 : Les eurodéputés pendant le CPAS. Le panel de haut niveau montre que les amplitudes des eurodéputés ont augmenté pendant l’administration du CPAS. Le panneau inférieur montre l’effet du protocole cPAS sur l’amplitude des MEP. Après l’intervention cPAS (barre rouge) l’excitabilité corticospinal a augmenté après 10 min (barre grise foncée) par rapport à la ligne de base (barre grise clair), comme évalué par les eurodéputés dans les muscles de la main quiescent. La barre rouge représente l’intervention de stimulation appariée, cPAS (100 paires à 0,2 Hz, 8,3 min). Ceci suggère que la modulation des interactions parieto-motrices avec le cPAS peut induire des changements transitoires dans la plasticité motrice. Les barres d’erreur représentent SEM. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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Discussion

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La méthode TMS à double site décrite ici peut être utilisée pour étudier les interactions fonctionnelles entre les différentes zones corticales interconnectées avec le cortex moteur primaire pendant qu’un participant est au repos ou planifie une action orientée vers l’objectif. Tandis que l’imagerie cérébrale est corrélative, les connaissances de base des méthodes de TMS à double site peuvent révéler des relations causales de cerveau-comportement liés aux changements dans les circuits cortico-cortical. En outre, la stimulation associative jumelée corticale avec deux bobines de TMS appliquées dans les zones interconnectées avec M1 peut être employée pour renforcer la connectivité fonctionnellement spécifique pour le contrôle de mouvement et augmenter l’efficacité de la plasticité induisant. Prises ensemble, ces méthodes démontrent que ces protocoles TMS peuvent à la fois mesurer et manipuler l’activité neuronale sous-jacente au flux d’information entre les zones du cerveau d’une manière anatomique, tâche-et dépendante du temps dans le système moteur. Cela permet de tester différentes hypothèses liées à la contribution causale des zones corticales à la fonction motrice.

Dans cette optique, l’approche peut également fournir une base essentielle pour comprendre la connectivité réseau au niveau des systèmes chez les patients neurologiques et psychiatriques présentant des symptômes similaires et permettre son utilisation à la fois comme un outil pour diagnostiquer et traiter le dysfonctionnement du circuit. Par conséquent, il est important pour plus d’études d’explorer d’autres zones corticales en dehors du système moteur pour tester sa généralisation à travers les réseaux cérébraux dans les cerveaux sains et malades. Il s’agit d’un facteur important étant donné que l’on ne peut pas supposer que la réponse au SMT dans une région du cerveau produira le même effet physiologique lorsqu’elle est appliquée à une autre région. Il est également avantageux que ces procédures puissent être étendues à des mouvements plus complexes, et à d’autres domaines en dehors du mouvement tels que la cognition, la perception et l’humeur. En effet, plusieurs études utilisant le TMS et le CPAS à double site ont commencé à examiner les effets et la faisabilité de l’étude dans les systèmes visuels et cognitifs73,74,88. Fait important, cela permettra de développer une compréhension plus sophistiquée des fondements neuronaux reliant l’activité cérébrale à la fonction motrice, cognitive et affective. En conséquence, il est essentiel qu’une connaissance mécaniste solide sur la dynamique de circuit neural dans les populations de patients soit étudiée avant de déterminer l’utilité d’appliquer ces protocoles dans les arrangements cliniques futurs.

Bien que des preuves croissantes suggèrent que TMS est une nouvelle approche capable de caractériser le dysfonctionnement synaptique et la plasticité dans les désordres neurologiques et psychiatriques tels que la maladie de Parkinson, la maladie d’Alzheimer, et la course, l’utilité clinique de ces d’évaluations doivent être établies à plus grande échelle. De plus, à ce jour, tous les travaux dans les populations de patients se sont concentrés uniquement sur les circuits fonctionnels pendant que les participants sont au repos. Il est essentiel que les études futures avec tMS à deux sites tiennent compte des effets dépendants de l’état et des tâches, en particulier lorsque le patient est mis au défi, afin de combler les lacunes des connaissances dans la compréhension de la façon dont la dynamique du cerveau altérée contribue à des effets moteurs, cognitifs et affectifs spécifiques. Dysfonctionnements. Fait important, ce cadre permet des possibilités sans précédent d’étudier de manière exhaustive les circuits cérébraux fonctionnels et la plasticité de manière non invasive en enregistrant et en manipulant l’activité neuronale. Cela peut éventuellement être traduit par de nouvelles thérapies cliniques pour les troubles cérébraux.

Dans l’attente de ces avancées cliniques, une première étape cruciale consiste à accroître la rigueur et la reproductibilité des expériences de SMT dans des laboratoires indépendants en fournissant des procédures méthodologiques bien définies qui sont facilement déployables et partageables. Les lignes directrices suivantes pour les procédures de SMT décrites ci-dessus peuvent aider à normaliser la conception, la mise en œuvre et la conclusion des constatations. Tout d’abord, les paramètres de stimulation tels que l’intensité, la durée, l’ISI, le moment, la position de bobine et les emplacements anatomiques doivent être soigneusement documentés et répétés dans le même contexte de tâche dans plusieurs laboratoires indépendants afin d’encourager les essais et l’application à grande échelle. Deuxièmement, les cibles cérébrales devraient être définies avec précision sur la base de critères anatomiques et fonctionnels clairs qui capturent l’activité cérébrale dans les circuits cérébraux associés au comportement. Troisièmement, la neuronavigation devrait être utilisée pour guider le placement de bobine de TMS en ciblant deces circuits cérébraux. Il est également recommandé que les expériences soient axées sur les hypothèses et utilisent à la fois une tâche de contrôle pour s’assurer que les changements sont liés sélectivement au contexte de la tâche et un site de contrôle du cerveau en dehors du réseau ciblé putatif pour exclure l’effet non spécifique de la stimulation. Quatrièmement, pour mieux informer l’exactitude diagnostique et l’efficacité thérapeutique de ces méthodes dans les futurs milieux cliniques, la recherche fondamentale devra utiliser une approche multimodale combinant des mesures et des manipulations tMS avec des mesures neuroimaging et comportementales pour mieux caractériser les changements pathologiques sous-jacents et l’effet du traitement. Cinquièmement, la variabilité des réponses individuelles à l’aide de méthodes de SMT à deux sites doit être signalée, car elle pourrait fournir des informations importantes sur la façon dont les interventions peuvent être optimisées pour différentes zones du cerveau, conduisant à de nouveaux traitements basés sur des mécanismes pathophysiologiques individuels. Enfin, les chercheurs doivent faire preuve de transparence lorsqu’ils rendent compte des résultats négatifs42 et rendre les données accessibles au public aux fins d’interprétation afin d’augmenter la taille des échantillons et de promouvoir une science plus efficace. Cette approche globale augmentera la rigueur et la reproductibilité dans la collecte et l’analyse des données qui peuvent guider les futures neurosciences de base et les études cliniques. En fin de compte, cela permettra d’améliorer la conception expérimentale et d’optimiser les thérapies ciblées, réduisant ainsi la morbidité et les déficiences dans les troubles neurologiques et psychiatriques.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à révéler.

Acknowledgments

Ce travail a été soutenu par l’Université du Michigan: MCubed Scholars Program et 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)

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Mesurer et manipuler des voies neuronales fonctionnellement spécifiques dans le système moteur humain avec stimulation magnétique transcrânienne
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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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