Login processing...

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

Neuroscience

Meten en manipuleren van functioneel specifieke neurale paden in het menselijk motorsysteem met transcraniële magnetische stimulatie

doi: 10.3791/60706 Published: February 23, 2020

Summary

Dit artikel beschrijft nieuwe benaderingen om functioneel specifieke neurale paden te meten en te versterken met transcraniële magnetische stimulatie. Deze geavanceerde niet-invasieve hersenstimulatie methodologieën kunnen nieuwe mogelijkheden bieden voor het begrijpen van relaties met hersengedrag en de ontwikkeling van nieuwe therapieën voor de behandeling van hersenaandoeningen.

Abstract

Inzicht in interacties tussen hersengebieden is belangrijk voor de studie van doelgericht gedrag. Functionele neuroimaging van de hersenen connectiviteit heeft belangrijke inzichten in fundamentele processen van de hersenen, zoals cognitie, leren, en motorische controle. Deze aanpak kan echter geen causaal bewijs leveren voor de betrokkenheid van hersengebieden van belang. Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een krachtig, niet-invasief hulpmiddel voor het bestuderen van het menselijk brein dat deze beperking kan overwinnen door de hersenactiviteit van voorbijgaande aard te wijzigen. Hier belichten we recente vooruitgang met behulp van een paired-pulse, dual-site TMS-methode met twee spoelen die causaal cortico-corticale interacties in het menselijk motorsysteem sondes tijdens verschillende taakcontexten. Daarnaast beschrijven we een dual-site TMS-protocol op basis van corticale gepaarde associatieve stimulatie (ocpas) dat de synaptische efficiëntie in twee onderling verbonden hersengebieden van voorbijgaande aard verbetert door herhaalde paren corticale stimuli met twee spoelen toe te passen. Deze methoden kunnen een beter begrip bieden van de mechanismen die ten grondslag liggen aan cognitief-motorische functie, evenals een nieuw perspectief op het manipuleren van specifieke neurale paden op een gerichte manier om hersencircuits te moduleren en gedrag te verbeteren. Deze aanpak kan blijken te zijn een effectief instrument om meer geavanceerde modellen van hersenen-gedrag relaties te ontwikkelen en de diagnose en behandeling van vele neurologische en psychiatrische aandoeningen te verbeteren.

Introduction

Niet-invasieve hersenstimulatie is een veelbelovend beoordelingsinstrument en behandeling voor veel neurologische aandoeningen, zoals de ziekte van Parkinson, de ziekte van Alzheimer, en beroerte1,2,3,4. Er is accumulerend bewijs dat de relatie aantoont tussen de gedragsmanifestaties van neurologische ziekten en afwijkingen van corticale prikkelbaarheid, neuroplasticiteit, cortico-corticale en cortico-subcorticale connectiviteit5,6. Daarom kan basiskennis over de dynamiek van het hersennetwerk en de plasticiteit in neurologische aandoeningen waardevolle inzichten bieden in de diagnose van de ziekte, progressie en reactie op therapie. Functionele magnetische resonantie beeldvorming(fMRI) is een nuttig hulpmiddel om de complexe relaties tussen hersenen en gedrag in zowel gezonde als zieke hersennetwerken te begrijpen en heeft het potentieel om de behandeling te verbeteren op basis van een netwerkperspectief7,8,9. F MRIis echter correlatief van aard en kan geen causaal verband bieden tussen hersenfunctie en gedrag, noch functionele connectiviteit manipuleren om abnormale neurale circuits te herstellen die verband houden met gedragsstoornissen bij patiënten10,11,12. Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) kan zowel causaal meten en moduleren van de menselijke hersenfunctie en het gedrag in gezondheid en ziekte3,13,14,15.

TMS is een veilige, niet-invasieve methode om het menselijk brein te stimuleren16,17en kan worden gebruikt om plasticiteit te induceren en te meten18. Deze methode kan ons begrip van causale relaties tussen individuele hersengebieden en gedrag bevorderen10,11,12,19en hun specifieke functionele interacties met andere knooppunten van een hersennetwerk20,21,22,23. Tot op heden hebben de meeste studies zich gericht op het menselijk motorisch systeem, gezien het feit dat TMS aan de hand gebied van de motorische cortex (M1) kan produceren motor opgeroepen potentials (EP-leden) als fysiologische uitlezingen voor veranderingen in verband met motorisch gedrag24, waardoor het onderzoek van verschillende remmende en excitatory circuits op systeemniveau in de menselijke hersenen mogelijk is25. Recente vooruitgang met behulp van een conditioneringstest TMS aanpak met twee spoelen tonen aan dat het mogelijk is om functionele interacties tussen verschillende corticale gebieden te meten. In het motorsysteem tonen dual-site TMS-experimenten aan dat ingangen uit corticale gebieden die met M1 zijn verbonden, kunnen veranderen met taakeisen, leeftijd of ziekte14,26. Baanbrekend werk van Ferbert en collega's heeft geconstateerd dat het toepassen van een conditioneringsstimulus op M1 voorafgaand aan een teststimulus van de andere M1 kan leiden tot remming van de MEP-amplitude, een fenomeen dat bekend staat als korte intervalinterhemisferische remming (SIHI)28. Een aantal TMS-studies met behulp van deze aanpak hebben ook aangetoond dat M1 sterk verbonden is met de contralaterale M1, ventrale premotorische cortex (PMv), dorsale premotorische cortex (PMd), aanvullend motorisch gebied (SMA), pre-SMA, primaire sensorische cortex (S1), dorsolaterale prefrontale cortex (DLPFC), en achterste pariëtale cortex (PPC) in rust27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42. Interessant is dat het effect van stimulatie van deze corticale gebieden op motorische corticale excitability anatomisch, tijdelijk en functioneel specifiek is voor de aanhoudende hersenactiviteit tijdens de voorbereiding van een beweging (staat- en contextafhankelijke43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69). Echter, zeer weinig studies met behulp van dual-site TMS hebben gekenmerkt patronen van functionele cortico-corticale connectiviteit met motorische en cognitieve stoornissen bij patiënten met hersenaandoeningen70,71,72. Dit biedt mogelijkheden om nieuwe methoden te ontwikkelen voor het beoordelen en behandelen van motorische en cognitieve stoornissen.

Met behulp van deze techniek is ook gebleken dat herhaalde paren corticale TMS toegepast op corticale gebieden met elkaar verbonden met M1, zoals contralaterale M168,69,70, PMv76,77,78, SMA71, en PPC80,81,82 kan leiden tot veranderingen in synaptische efficiëntie in specifieke neurale trajecten op basis van de Hebbian principe van associatieve plasticiteit83 ,84,85,86 en verbeteren gedragsprestaties72,73,74. Toch hebben weinig studies deze benadering gebruikt om circuit- en plasticiteitsdisfunctie bij neurologische aandoeningen2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96. Het valt nog te bezien of het versterken van functioneel specifieke neurale paden met TMS de activiteit in disfunctionele circuits kan herstellen, of dat de toekomstige versterking van intacte circuits veerkracht97 kan vergroten in hersennetwerken die motorische en cognitieve functie ondersteunen gedurende de levensduur en bij ziekte. Het gebrek aan fundamenteel begrip van de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan neurologische aandoeningen en effecten van stimulatie op onderling verbonden disfunctionele hersennetwerken beperkt de huidige behandeling.

Ondanks zijn vermogen, tms heeft nog een standaard onderdeel van het bewapeningsarium van neurowetenschappen en klinische instrumenten voor het begrijpen van hersenen-gedrag relaties, pathofysiologie van hersenaandoeningen, en de effectiviteit van de behandeling. Daarom, om het potentieel ervan te realiseren en de grootschalige toepassing ervan te ondersteunen, is het standaardiseren van TMS-methoden belangrijk omdat het waarschijnlijker is om de strengheid van toekomstige TMS-experimenten en reproduceerbaarheid in onafhankelijke laboratoria te vergroten. In dit artikel wordt beschreven hoe TMS kan worden gebruikt om functionele interacties te meten en te manipuleren. Hier beschrijven we deze techniek in het motorsysteem (bijvoorbeeld parieto-motortraject44)door op TMS gebaseerde outputmetingen (bijvoorbeeld ep-leden) te meten, waarbij de methode het best te begrijpen is. Het is echter belangrijk op te merken dat dit protocol ook kan worden aangepast aan functionele koppeling van andere subcorticale85,cerebellar86,87, en corticale gebieden. 73,74,88 Daarnaast kunnen neuroimagingtechnieken zoals EEG89,90,91 en fMRI92,93 worden gebruikt om de door TMS veroorzaakte veranderingen in activiteit en connectiviteit te beoordelen26,94. We sluiten af met voorstellen dat de studie van de functionele betrokkenheid van circuit-level corticale connectiviteit met deze TMS-methoden in zowel gezondheid als ziekte het mogelijk maakt om gerichte diagnoses en innovatieve therapieën te ontwikkelen op basis van meer geavanceerde netwerkmodellen van relaties met hersengedrag.

Protocol

Hieronder worden de volgende drie TMS-methoden beschreven. Ten eerste worden twee methoden beschreven om cortico-corticale connectiviteit te meten met behulp van dual-site transcraniële magnetische stimulatie (dsTMS), terwijl de deelnemers ofwel 1) in rust (rusttoestand) of 2) het uitvoeren van een object-gerichte reach-to-grasp beweging ( taakafhankelijk). Ten tweede wordt een corticale gepaarde associatieve stimulatiemethode (ocmw's) beschreven om het samenspel tussen twee hersengebieden op een gecontroleerde manier te moduleren door corticale stimuli (bijvoorbeeld achterste pariëtale en primaire motorcortices) te moduleren om de functionele specifieke neurale paden met TMS en induceren veranderingen in corticale prikkelbaarheid. Voor elke methode wordt een representatieve gegevensset verstrekt. Alle in dit protocol beschreven methoden zijn goedgekeurd door de University of Michigan Institutional Review Board in overeenstemming met de verklaring van Helsinki.

1. Werving van deelnemers

  1. Screen alle deelnemers op eventuele contra-indicaties op TMS95,96,97,98,99,100 en magnetic resonance imaging (MRI) voorafgaand aan de werving. Rekruteer rechtshandige deelnemers101 voor experimenten die functionele connectiviteit in het motorsysteem onderzoeken.
  2. Informeer elke deelnemer over de studiedoelstellingen, procedures en risico's die zijn goedgekeurd door de lokale institutionele beoordelingscommissie. Verkrijg schriftelijke toestemming voordat u het individu toestaat deel te nemen aan het onderzoek.

2. Elektromyografie (EMG) Elektrode plaatsing

  1. Instrueer de deelnemer om comfortabel in de experimentele stoel te zitten met beide armen ondersteund in een ontspannen positie. Zorg voor een kin rust voor de deelnemers tijdens TMS om het hoofd beweging tot een minimum te beperken tijdens stimulatie.
  2. Reinig de huid over de spier van belang met een milde schurende. Met behulp van een buikpees elektrode regeling, plaats een wegwerp Ag-AgCl elektrode op de buikspier en een ander op een benige oriëntatiepunt in de buurt voor een referentie site op beide handen van de deelnemer. Herhaal deze stap voor elke spier van belang.
  3. Sluit een grondelektrode aan op het ulnar styloïde proces. Het is belangrijk om het niveau van oppervlaktecontact van de elektroden met de huid te inspecteren gedurende de duur van het experiment, omdat dit de impedantiekwaliteit van het EMG-signaal uitsluit. Het plaatsen van tape over het oppervlak elektrode kan de mate van contact met het huidoppervlak te verbeteren.
    OPMERKING: Voor reach-to-grasp acties gemeenschappelijke spieren bestudeerd zijn 1) de eerste dorsale interosseous (BDI), 2) ontvoerder pollicis brevis (APB), en 3) ontvoerder digiti minimi (ADM) spieren van de hand.
  4. Sluit oppervlakteelektroden aan met een EMG versterker en een data acquisition systeem. Noteer en bewaar de EMG-signalen van de versterker naar de dataverzamelingscomputer met EMG-software voor online monitoring en offline analyse van het EMG-signaal. Versterk optioneel het EMG-signaal 1000x en gebruik een bandpassfilter tussen 2 Hz en 2,5 kHz, gedigitaliseerd op 5 kHz door een analoog-naar-digitale interface.

3. Lokaliseren de hersengebieden voor gerichte TMS

  1. Methode 1: Lokaliseren zonder MRI-scan
    1. Met behulp van de 10-20 EEG-systeem merk C3, gelegen ongeveer over de linker primaire motorische cortex (M1), en P3, gelegen ongeveer over een deel van de hoekige gyrus in de linker achterste pariëtale cortex (PPC), op de hoofdhuid van de deelnemer. Raadpleeg methoden die eerder102 beschreven voor specifieke stappen om hersengebieden te lokaliseren met het 10-20 EEG-systeem (zie figuren 3 en 4 van Villamar et al.102).
    2. Als alternatief kan een elektro-encefalografie (EEG) hoofddop worden gebruikt om de hersengebieden op de hoofdhuid te benaderen. Plaats een juiste EEG-dop op het hoofd van de deelnemer en lijn de Cz-positie op de dop af met de gemarkeerde Cz-positie op de hoofdhuid van de deelnemer. Markeer C3 en P3 met behulp van de dop.
      OPMERKING: Lokalisatie zonder MRI-scan van een individu heeft het potentieel om onnauwkeurig te zijn103. Daarom wordt mri-gebaseerde neuronavigatie sterk aanbevolen om de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van het richten op de TMS te verhogen. Dit kan mogelijk leiden tot minder variabiliteit in de door TMS geïnduceerde nawerking.
  2. Methode 2: Het gebruik van een MRI-scan
    1. Voor de TMS-sessie krijgt u de structurele MRI van de deelnemer (T1). Upload de scan naar een neuronavigatiesysteem.
    2. Maak een driedimensionale reconstructie van de hersenen en huid overlay met behulp van de neuronavigatie software. Plaats markers op de anatomische oriëntatiepunten op het puntje van de neus, nasion, inion, en de preauriculaire inkepingen van beide oren. Gebruik de tragus niet omdat deze kan verschuiven wanneer oordopjes worden geplaatst.
    3. Zoek de handknop, de anatomische oriëntatiepunt dat overeenkomt met M1104,in de linker precentrale gyrus. Plaats een baanmarker op dit punt met het neuronavigatiesysteem. Dit punt moet 45° van de midsagittale lijn worden uitgelijnd en ongeveer loodrecht op de centrale sulcus. Noteer en noem de anatomische oriëntatiepunt met het neuronavigatiesysteem (Figuur 1).
    4. Zoek het niet-motorische interessegebied (bijvoorbeeld over het voorste intraparietale sulcusgebied in PPC). Plaats een tweede baan marker over deze anatomische mijlpaal. Noteer en noem de locatie met het neuronavigatiesysteem (figuur 1).
  3. Voer coil- en hoofdregistratie uit met het volgsysteem
    1. Kalibreer beide TMS-spoelen met het kalibratieblok afzonderlijk met behulp van het neuronavigatiesysteem.
    2. Plaats de hoofdtracker veilig op het hoofd van de deelnemer, zodat de tracker gedurende de duur van het experiment in beeld is.
    3. Registreer de anatomische oriëntatiepunten op het hoofd van de deelnemer aan het neuronavigatiesysteem. Als een MRI niet is verkregen van de deelnemer, gebruik dan een sjabloon MRI van het Montreal Neurologisch Instituut.
      OPMERKING: Het is belangrijk om niet te veel kracht toe te passen met de aanwijzer op de huid van de deelnemer om ongemak en onnauwkeurigheden bij het uitvoeren van registratie te voorkomen. Het kan waardevol zijn om regelmatig te controleren in de loop van het experiment dat het hoofd tracker niet is verschoven. Deze procedures zorgen voor precisie bij het toepassen van de TMS-spoel op een doelgebied voor stimulatie tijdens het experiment.

4. Optimal TMS Coil Positie lokaliseren en drempels bepalen

OPMERKING: In dit experiment verwijst CoilM1 naar de spoel die wordt gebruikt om stimulatie te leveren aan M1, terwijl CoilTwo verwijst naar de spoel die wordt gebruikt om stimulatie te leveren aan het andere corticale gebied van belang (bijvoorbeeld achterste pariëtale cortex). Drempelwaarde boven M1 moet worden bepaald voor CoilTwo om het maximale stimulatorvermogen (MSO) te berekenen dat over niet-motorische gebieden wordt gebruikt. Motorische drempelwaarden moeten worden gerapporteerd om vergelijkingen en reproduceerbaarheid tussen experimenten mogelijk te maken.

  1. Lokaliseren en drempelen met CoilTwo
    1. Plaats het centrum van CoilTwo boven de doelM1-locatie die in de vorige sectie is geïdentificeerd om een achterste-voorste huidige richting in de hersenen te induceren.
    2. Om de optimale locatie voor activering van de doelspier te vinden, lever pulsen aan M1 op 30% van de MSO van de machine. Let op of de geleverde stimulatie een spiertrekking produceert en bepaal de amplitude van het motoronopgeroepen potentieel (MEP) dat is geregistreerd met de EMG-elektroden van de spieractiviteit die wordt weergegeven door het data-acquisitiesysteem.
    3. Als een MEP of een zichtbare spiertrekking niet wordt waargenomen, blijft de stimulatoroutput met stappen met 5% verhogen. De positie, rotatie, toonhoogte en giering van de TMS-spoel moeten mogelijk worden aangepast om de amplitude van het MEP te optimaliseren. Herhaal dit totdat een reactie wordt waargenomen.
    4. Verlaag de intensiteit stapsgewijs tot de laagste intensiteit die ten minste 5 van de 10 MEP-reacties produceert met een amplitude van ≥50 μV terwijl de deelnemer97,98,105berust. Dit wordt gedefinieerd als de rustmotordrempel (RMT).
    5. Zorg er voor de duur van de drempelsessie voor dat beide handen zich in een rustpositie bevinden met beide armen en handen die worden ondersteund met kussens.
    6. Geef real-time visuele of auditieve feedback van spieractiviteit van EMG (bijvoorbeeld op een monitor of luidspreker) gedurende de hele sessie, vooral als er overmatige spieractiviteit is (bijvoorbeeld oudere volwassen populaties).
    7. Voortdurend vragen deelnemer over de mate van comfort.
      OPMERKING: Het is belangrijk dat alle hierboven beschreven procedures afzonderlijk en herhaald worden voor elke TMS-spoel om de specifieke parameters te bepalen die in het experiment worden gebruikt voor de verschillende grote spoelen (bijvoorbeeld het lokaliseren van een optimale TMS-spoelpositie en het bepalen stimulatie-intensiteiten voor motorische drempels). Het is ook belangrijk dat het interval tussen de TMS pulsen is >5 s om te voorkomen dat het induceren van veranderingen in corticale prikkelbaarheid.
  2. Lokalisatie en drempeling met CoilM1
    1. Herhaal de hierboven beschreven stappen om de optimale stimulatielocatie te vinden met de CoilM1.
    2. Bepaal de laagste stimulatorintensiteit die nodig is om ep-leden van ≥1 mV te genereren in 5 van de 10 proeven in de doelhandspier wanneer de spier volledig ontspannen is. Markeer en noteer de positie van CoilM1 met behulp van het neuronavigatiesysteem.

5. TMS met twee plaatsen (ruststaat)

  1. Gebruik twee figuur-8-vormige spoelen (bijvoorbeeld CoilM1 en CoilTwo)die zijn aangesloten op twee individuele TMS-stimulatoren (bijvoorbeeld twee Magstim 2002-eenheden). Lever de teststimuli (TS) over M1 met CoilM1 (bijvoorbeeld D70² figuur-8-vormige spoel, buitendiameter van lus is 7 cm) en de conditioneringsstimuli (CS) naar het andere interessegebied met CoilTwo. (bijvoorbeeld D50 Alpha B.I., buitendiameter van elke lus is 5 cm).
  2. Bepaal het percentage van de MSO-intensiteit voor de conditioneringsstimulus (CS) voor CoilTwo.
    OPMERKING: Het percentage van de MSO-intensiteit ligt vaak tussen de 70-140 van RMT en is afhankelijk van de specifieke parameters en doelstellingen van het experiment (zie tabel 3 van Lafleur et al.14). Voor dit experiment werd de CS ingesteld op 90% van RMT, vergelijkbaar met parameters die elders werden gebruikt35,44,60.
  3. Voor de teststimulus (TS) gebruik maken van de eerder bepaalde intensiteit die MEP-amplitudes van ~ 1 mV uitlokt in de gerichte rustige handspier.
  4. Stel het precieze interstimulus-interval (ISI) in tussen het CS en TS.
  5. Gebruik de meegeleverde besturingssoftware of externe besturing via TTL pulsen om de ISI voor de twee pulsen te bedienen. De ISI varieert vaak van 4-20 ms (zie tabel 1 van Lafleur et al.14). Voor dit experiment ging de CS naar PPC de TS aan M1 vooraf door een ISI van 5 ms.
  6. Met behulp van een op maat gemaakt coderingsscript genereren in willekeurige volgorde de single-pulse TMS-proeven (TS alleen) en gekoppelde-pulse TMS-proeven (CS-TS) op de opgegeven ISI.
  7. Positie CoilM1 over de linker M1 en positie CoilTwo over het andere gebied van belang.
  8. Lever de TS alleen proeven met CoilM1. Voor de paired-pulse (CS-TS) proeven, leveren de CS met CoilTwo gevolgd door de TS naar CoilM1 op de vooraf bepaalde ISI's. Dit wordt geïllustreerd in figuur 2. Herhaal een minimum van 12 proeven voor elke aandoening. Lever de TS ten minste 1 s na het begin van de proef om prestimulus EMG activiteit te verzamelen. Gebruik een 4 s data acquisition sweep voor elke proef, gevolgd door een 1 s intertrial interval.
  9. Pas indien nodig de TMS-spoelposities iets aan om de plaatsing van beide spoelen over de geselecteerde beoogde locaties op het hoofd van de deelnemer aan te passen. Pas de nieuwe locatie van CoilM1 en CoilTwo aan en noteer de nieuwe locatie met behulp van het neuronavigatiesysteem.
  10. Gebruik de triggerknop op de TMS-machine voor de meegeleverde besturingssoftware of het op maat gemaakte coderingsscript van de externe controller om de geprogrammeerde TMS-pulsen te leveren.
    OPMERKING: Voor dit experiment werden een systeem voor gegevensverwerving (bijvoorbeeld CED Micro 1401) en softwarepakket (bijvoorbeeld Signal versie 7) gebruikt om stimuli te genereren, gegevens vast te leggen, de externe apparatuur te bedienen en de analyse uit te voeren. De op maat gemaakte coderingsscripts die worden gebruikt om gegevens uit de experimenten uit te voeren en te analyseren, zijn beschikbaar bij de overeenkomstige auteur.

6. Dual-site TMS (Taakcontext)

OPMERKING: Dual-site TMS kan ook worden gebruikt om te testen of functionele connectiviteit in rust kan worden gemoduleerd door verschillende taakcontexten.

  1. Volg dezelfde methode beschreven in de bovenstaande sectie om functionele interacties tussen verschillende corticale gebieden met elkaar verbonden met M1 te onderzoeken, maar tijdens de voorbereidende fase van een taak die het netwerk inschakelt (bijvoorbeeld tijdens het actieplan voor een greep).
  2. Bepaal de tijdscursus en een corticale interessegebied (bijvoorbeeld PPC) om functionele interacties met M1 te bestuderen tijdens de voorbereiding van een complex bewegingsplan (bijvoorbeeld objectgestuurde precisiegreep of handgreep43,44,45,46,47,48,49,106) voor selectieve handspieren.
  3. Met behulp van een op maat gemaakt coderingsscript, genereren in willekeurige volgorde de timing van TS alleen proeven en paired-pulse proeven (CS-TS) op een bepaalde ISI na de 'GO' cue tijdens de reactieperiode (plan fase) zodanig dat de MEP opnames worden verzameld voordat de beweging initiatie (premovement periode) voor de taak.
  4. Lever single-pulse TMS (TS alleen) of paired-pulse TMS (CS-TS) sondes tussen 50 en 800 ms na de 'GO' cue47,49 tijdens het actieplan van complexe handbewegingen. Zie figuur 3 voor de timing van een gebeurtenisgerelateerde proefversie voor dit experiment. De op maat gemaakte coderingsscripts die worden gebruikt om de timing van gebeurtenisgerelateerde proefversies uit te voeren, zijn beschikbaar bij de desbetreffende auteur.
    1. Laat de deelnemer vóór de testsessie met TMS de taak uitvoeren voor minimaal 50 oefenproeven om een consistente reactietijd vast te stellen. Moedig de deelnemer aan om vragen te stellen over de taak om betrouwbare prestaties te garanderen tijdens de testsessie met TMS.
    2. Gebruik het op maat gemaakte coderingsscript om alle combinaties van single-pulse TMS (TS alleen) of paired-pulse TMS (CS-TS) en taak (bijvoorbeeld een kleinere top te grijpen of een groter bodemobject te grijpen) tijdens de reactieperiode (planfase) zodanig dat de MEP-opnames verzameld vóór de daadwerkelijke verplaatsingsinitiatie.

7. Cortical Eassen (cPAS)

OPMERKING: Dit protocol omvat het leveren van paren van monofische pulsen aan twee verschillende corticale gebieden gedurende korte perioden om pad-specifieke veranderingen in synaptische sterkte tussen verbindingen binnen het menselijk brein te induceren. Deze aanpak is gebaseerd op hebbische principes van spike timing afhankelijke plasticiteit107,108,109,110. Net als bij dual-site TMS-methoden wordt ocmw's geleverd met twee TMS-machines die zijn aangesloten op twee afzonderlijke TMS-spoelen over twee verschillende corticale gebieden (bijvoorbeeld PPC en M1).

  1. Met behulp van een op maat gemaakt coderingsscript genereert u 100 paar stimuli op 0,2 Hz (elk 8,3 minduur). Voor de experimentele cPASTwo→M1 conditie, leveren de eerste stimuli over de niet-motorische gebied (bijvoorbeeld PPC) met CoilTwo met een gespecificeerde pulsintensiteit (bijvoorbeeld 90% RMT) voor 5 ms voor de tweede stimuli over M1 met CoilM1 met een pulsintensiteit die een MEP amplitude van ~ 1 mV in de gerichte handspier uitlokt.
  2. Het is belangrijk om te controleren voor: 1) directionaliteit van de connectiviteit (CTRLM1→Two); 2) timing (CTRLISI=500ms); en 3) stimulatiesite (CTRL Control site→M1)in afzonderlijke sessies. Zie voor voorbeelden72,74,111,112. De op maat gemaakte coderingsscripts voor elke cPAS-voorwaarde zijn beschikbaar bij de overeenkomstige auteur. De stimulatieparameters (bijvoorbeeld intensiteiten en ISI) kunnen worden aangepast voor verschillende corticale gebieden. Zie tabel 2 van Lafleur et al.14 voor een samenvatting van de plasticiteitsprotocollen.
  3. Gebruik de procedures die in eerdere secties zijn beschreven om de precieze locatie van de TMS-spoelen te bepalen.
  4. Haal corticospinale metingen bij de uitgangmet CoilM1 (bijvoorbeeld ~24 EP-leden).
  5. Randomiseren van de deelnemers aan een van de vier interventiegroepen: 1) ocMW's Twee→M1; 2) CtrlM1→Two; 3) CTRLISI=500ms; 4) Ctrl Control site→M1.
  6. Voor dit experiment werd alleen de experimentele ocPAS Two→M1 conditie getest en de PPC werd gebruikt als het gebied van belang. Bij het uitvoeren van meerdere sessies op dezelfde deelnemer is het belangrijk dat elke experimentele sessie wordt gescheiden door ten minste 48 uur in een gerandomiseerde volgorde om crossover-effecten te voorkomen. Het is ook belangrijk om sessies binnen elke deelnemer op hetzelfde moment van de dag te herhalen om te controleren op alertheid.
  7. Gebruik het op maat gemaakte coderingsscript om de opgegeven cPAS-voorwaarde te leveren.
  8. Controleer de spieractiviteit van de andere (linker)hand tijdens het experiment met EMG om ervoor te zorgen dat de hand volledig ontspannen is tijdens het protocol.
  9. Verkrijg corticospinale metingen met CoilM1 (bijvoorbeeld ongeveer 24 EP-leden) op verschillende tijdstippen na de ocmw's (bijvoorbeeld 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 min) om het tijdsverloop van het door TMS geïnduceerde effect op de prikkelbaarheid van de hersenen te onderzoeken.
    OPMERKING: Het hier gebruikte experimentele protocol is opgenomen in figuur 4. De meeste studies tot nu toe zijn gericht op het motorsysteem, omdat het Ep-lid een betrouwbare uitkomstmaatregel is. Echter, gedragsmaatregelen72,73,74 en functionele connectiviteit sterkte met fMRI92,93 en EEG89,90 na TMS manipulatie van associatieve plasticiteit kan ook worden onderzocht. Deze methoden kunnen ook worden aangenomen voor verschillende corticale gebieden die niet m1 als een corticale doel.

8. Gegevensverwerking en -analyse

  1. Inspecteer EMG-gegevens offline en verwijder alle sporen die spieractiviteit vertonen waarbij de wortelgemiddelde vierkante EMG-activiteit in de spieren een achtergrondniveau van 10 μV overschreed tijdens de 100 ms vlak voor de TMS-puls om ervoor te zorgen dat de spieren in rustwaren 59,113.
  2. Gooi ook alle proeven met EMG-activiteit die samenvallen met de TMS-puls tijdens de bewegingsvoorbereidingsperiode (bijvoorbeeld 800 ms venster47,49) weg in tests met de taakcontext van dual-site TMS om anticiperende reacties uit te sluiten.
  3. Meet voor elke MEP-proef de piek-to-peak amplitude tussen de minimum- en maximumwaarden in mV in het tijdvenster tussen 50 ms voor en 100 ms na de TS105.
  4. Bereken het gemiddelde van de MEP-amplitudes in millivolts uit de TS alleen-proeven en de paired-pulse (CS-TS) proeven voor elke deelnemer. Bereken het gemiddelde voor alle deelnemers. Rapporteer deze waarden.
  5. Normaliseer vervolgens de gemiddelde MEP-amplitude van gekoppelde pulsstimulatie (CS-TS) proeven van de ongeconditioneerde single-pulse (TS alleen) proeven voor elke deelnemer en conditie. Druk de MEP-amplitudes uit als een verhouding tot de baseline TS-conditie.

Equation 1

  1. Bereken het gemiddelde voor alle deelnemers. Rapporteer deze waarden.

Representative Results

Figuur 5 toont de grootte van een voorbeeld van de reactie van het EpI die TMS in de BDI-spier heeft opgewekt voor een ongeconditioneerde teststimuli (TS alleen tot M1, blauw spoor) of geconditioneerde stimuli van PPC (CS-TS, rood spoor), terwijl de deelnemer in rust was (bovenste paneel) of een doelgerichte grijpactie plant voor een object (onderste paneel). In rust oefent de PPC een remmende invloed uit op ipsilaterale M1, zoals blijkt uit de afname van MEP-amplitudes die wordt versterkt door een subdrempel CS die meer dan PPC 5 ms leverde vóór een supradrempel TS over M1 (bovenste paneel). Tijdens de voorbereiding van een grijpactie schakelde deze netto remmende schijf in rust over van PPC op facilitering (een afgifte van remming). Om PPC-M1-interacties tijdens rust versus taakeisen direct te vergelijken, werden de MEP-amplitudes genormaliseerd tot TS alleen-proeven voor elke aandoening en uitgezet als een verhouding voor MEP-amplitude. De PPC-M1 interactie werd vergemakkelijkt vanuit rust bij het plannen van een object-gerichte greep (paarse balken).

Het bovenste paneel in figuur 6 toont veranderingen in MEP-amplitudes tijdens het beheer van het OCMW-protocol. MEP amplitudes geïnduceerd door gepaarde stimulatie van PPC en M1 geleidelijk toegenomen in de tijd tijdens de stimulatie protocol, wat suggereert plastic effecten op het niveau van de parieto-motor verbinding, M1 corticospinalneuronen, of beide. Het onderste paneel van figuur 6 toont veranderingen in MEP-amplitudes die in de rustende BDI-spier worden opgewekt door single-pulse TMS over M1 voor en na het OCMW-protocol. De grootte van de MEP-amplitudes steeg met 10 min na het ocMW-protocol, wat suggereert dat motorische excitability nawerking werd veroorzaakt na toediening van de herhaalde paren corticale stimuli over PPC en M1.

Figure 1
Figuur 1: Driedimensionale reconstructie van de anatomische MRI van een typische deelnemer met gemarkeerde corticale plaatsen boven de primaire motorische cortex (M1, blauw symbool) en achterste pariëtale cortex (PPC, rood symbool) in het linker halfrond. Neuronavigatie software voor TMS werd gebruikt om individueel bepaalde corticale gebieden richten met elke figuur-8 TMS spoel. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Schematische weergave van de dual-site, gepaarde puls transcraniële magnetische stimulatie met twee spoelen (dsTMS) gebruikt om functionele interacties tussen de achterste pariëtale cortex (PPC) en primaire motorische cortex (M1) in rust (rusttoestand) te onderzoeken. Een CS werd toegepast op de PPC om het effect ervan op een volgende suprathreshold TS naar M1 te onderzoeken. Elke verandering in de amplitude van de rechter spierrespons op TMS wordt gemeten met EMG. Voor dit experiment was de CS-intensiteit 90% van DE RMT. De intensiteit van TS werd aangepast om een MEP van ~ 1 mV peak-to-peak in de ontspannen BDI en ADM uit te lokken. De ISI tussen pulsen was 5 ms. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: De dsTMS-benadering die wordt gebruikt om functionele interacties tussen PPC en M1 te onderzoeken tijdens een reach-to-grasp-beweging (taakcontext). De verlichting van een LED instrueerde de deelnemer om een van de twee mogelijke rechtse acties op het doelobject te plannen: 1) pak de kleinere bovenste cilinder of 2) pak de grotere onderste cilinder. TS alleen of CS-TS op de opgegeven ISI (bijvoorbeeld 5 ms) werd geleverd 300 ms na de 'GO' cue (bijvoorbeeld LED-begin) tijdens de reactieperiode (planfase) zodanig dat MEP-opnames werden verzameld vóór de daadwerkelijke beweging initiatie (stippelzwarte lijn). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Schematisch van corticale gepaarde associatieve stimulatieprotocol (ocMW's) dat wordt gebruikt om functioneel specifieke neurale paden te versterken. De eerste stimulans werd toegepast op het interessegebied met CoilTwo (bijvoorbeeld PPC, rode spoel) 5 ms voordat de tweede stimulus werd geleverd aan M1 (blauwe spoel) met CoilM1. De paren van corticale stimuli werden geleverd op een frequentie van 0,2 Hz (eens per 5 s) en herhaald voor 100 proeven (~ 8,3 min). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Voorbeeld mep sporen voor een ongeconditioneerde test stimulus (TS alleen, blauw spoor) of geconditioneerde stimulus (CS-TS, rood spoor) voor de rusttoestand (bovenste paneel) en context-afhankelijke (onderste paneel) voorwaarde. Staafgrafieken tonen de MEP-amplitudes van het dsTMS-protocol terwijl de deelnemer in rust is of een grijptaak uitvoert (actie). Toen de deelnemer in rust was (bovenste paneel), cs-TS (rode balk) verminderde de gemiddelde amplitude van memeparlementariërs (remming) in vergelijking met de ongeconditioneerde TS alleen (blauwe balk). Toen de deelnemer daarentegen de reach-to-grasp-taak (onderste paneel) plande, nam de gemiddelde MEP-amplitude (facilitering) toe voor CS-TS -proeven (rode balk) in vergelijking met de TS alleen (blauwe balk)-proeven. Om de PPC-M1-interactie voor rust versus actieconditie direct te vergelijken, werd de gemiddelde MEP-amplitude die werd opgewekt door gepaarde pulsstimulatie (CS-TS) genormaliseerd door de verhouding van de amplitude te berekenen ten opzichte van de gemiddelde ongeconditioneerde MEP-amplitude (Alleen TS). Paarse balken vertegenwoordigen de genormaliseerde MEP-amplitude voor elke voorwaarde. Y = 1 geeft geen effect van CS op M1 excitability (stippelzwarte lijn), terwijl ratio's hoger dan 1 wijzen op verhoogde M1 excitability en ratio's lager dan 1 wijzen op verminderde M1 excitability als gevolg van geconditioneerde stimuli (CS-TS). Foutbalken vertegenwoordigen SEM. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 6
Figuur 6: Ep-leden tijdens de kuuroorden. Het bovenste panel laat zien dat mep-amplitudes zijn toegenomen tijdens het beheer van ocmw's. Het onderste paneel toont het effect van het OCMW-protocol op MEP-amplitude. Na de cPAS interventie (rode bar) corticospinale excitability toegenomen na 10 min (donkergrijze bar) in vergelijking met baseline (lichtgrijze bar), zoals beoordeeld door ep-leden in de rustige handspieren. De rode balk vertegenwoordigt de gepaarde stimulatie interventie, ocMW (100 paren op 0,2 Hz, ~ 8,3 min). Dit suggereert dat modulerende parieto-motorische interacties met kOP's tijdelijke veranderingen in motorische plasticiteit kunnen veroorzaken. Foutbalken vertegenwoordigen SEM. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Discussion

De dual-site TMS-methode die hier wordt beschreven, kan worden gebruikt om functionele interacties tussen verschillende corticale gebieden te onderzoeken die met de primaire motorische cortex zijn verbonden terwijl een deelnemer in rust is of een doelgerichte actie plant. Terwijl de beeldvorming van de hersenen is correlative, basiskennis van dual-site TMS methoden kunnen onthullen causale hersenen-gedrag relaties in verband met veranderingen in cortico-corticale circuits. Bovendien kan corticale associatieve stimulatie met twee TMS-spoelen die worden toegepast in gebieden die met M1 zijn verbonden, worden gebruikt om functioneel specifieke connectiviteit voor bewegingscontrole te versterken en de efficiëntie van het induceren van plasticiteit te verhogen. Samen tonen deze methoden aan dat deze TMS-protocollen zowel neurale activiteit onderliggende informatiestroom tussen hersengebieden op een anatomisch-, taak- en tijdsafhankelijke manier binnen het motorsysteem kunnen meten als manipuleren. Dit biedt mogelijkheden om verschillende hypothesen met betrekking tot de causale bijdrage van corticale gebieden aan motorische functie te testen.

In dit licht kan de aanpak ook een essentiële basis vormen voor het begrijpen van netwerkconnectiviteit op systeemniveau bij neurologische en psychiatrische patiënten met vergelijkbare symptomologie en het gebruik ervan mogelijk maken als hulpmiddel om circuitdisfunctie te diagnosticeren en te behandelen. Daarom is het belangrijk voor meer studies om andere corticale gebieden buiten het motorsysteem te verkennen om de generaliteit te testen in hersennetwerken in zowel gezonde als zieke hersenen. Dit is een belangrijke factor gezien het feit dat men niet kan aannemen dat de reactie op TMS in een hersengebied zal hetzelfde fysiologische effect te produceren wanneer toegepast op een andere regio. Het is ook voordelig dat deze procedures kunnen worden uitgebreid tot meer complexe bewegingen, en andere domeinen buiten beweging, zoals cognitie, perceptie en stemming. Verschillende studies met behulp van dual-site TMS en OCMW's zijn begonnen met het onderzoeken van de effecten en haalbaarheid van studie in de visuele en cognitieve systemen73,74,88. Belangrijk is dat dit kansen biedt om een meer verfijnd begrip te ontwikkelen van de neurale onderbouwing die hersenactiviteit koppelt aan motorische, cognitieve en affectieve functie. Als gevolg hiervan is het van cruciaal belang dat een solide mechanistische kennis over neurale circuitdynamiek bij patiëntenpopulaties wordt onderzocht voordat het nut van de toepassing van deze protocollen in toekomstige klinische omgevingen wordt bepaald.

Hoewel groeiend bewijs suggereert dat TMS is een nieuwe aanpak in staat karakterisering synaptische disfunctie en plasticiteit in neurologische en psychiatrische aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson, de ziekte van Alzheimer, en beroerte, het klinische nut van deze beoordelingen moeten op grotere schaal worden vastgesteld. Bovendien heeft tot op heden al het werk in patiëntenpopulaties zich alleen gericht op de functionele circuits terwijl de deelnemers in rust zijn. Het is van vitaal belang dat toekomstige studies met dual-site TMS rekening houden met staat- en taakafhankelijke effecten, vooral wanneer de patiënt wordt uitgedaagd, om kennislacunes op te vullen in het begrijpen hoe veranderde hersendynamiek bijdraagt aan specifieke motorische, cognitieve en affectieve Disfuncties. Belangrijk is dat deze instelling ongekende mogelijkheden biedt om functionele hersencircuits en plasticiteit niet-invasief te bestuderen door zowel neurale activiteit op te nemen als te manipuleren. Dit kan uiteindelijk worden vertaald naar nieuwe klinische therapieën voor hersenaandoeningen.

In afwachting van deze klinische vooruitgang, een kritische eerste stap is het verhogen van de strengheid en reproduceerbaarheid van TMS experimenten in onafhankelijke laboratoria door het verstrekken van goed gedefinieerde methodologische procedures die gemakkelijk inzetbaar en deelbaar zijn. De volgende richtlijnen voor de hierboven beschreven TMS-procedures kunnen helpen bij het standaardiseren van het ontwerp, de implementatie en de afdoende bevindingen. Ten eerste moeten stimulatieparameters zoals de intensiteit, duur, ISI, timing, spoelpositie en anatomische locaties zorgvuldig worden gedocumenteerd en herhaald in dezelfde taakcontext in meerdere onafhankelijke laboratoria om grootschalige tests en toepassingen aan te moedigen. Ten tweede moeten hersendoelen nauwkeurig worden gedefinieerd op basis van duidelijke anatomische en functionele criteria die hersenactiviteit vastleggen binnen hersencircuits die verband houden met gedrag. Ten derde, neuronavigatie moet worden gebruikt om de TMS spoel plaatsing begeleiden bij het richten van genoemde hersenen circuits. Het wordt ook aanbevolen dat experimenten worden hypothese-gedreven en gebruik maken van zowel een controle taak om ervoor te zorgen veranderingen zijn selectief gerelateerd aan de taak context en een controle hersenen site buiten de vermeende gerichte netwerk uit te sluiten van de niet-specifieke effect van stimulatie. Ten vierde, om de diagnostische nauwkeurigheid en therapeutische effectiviteit van deze methoden in toekomstige klinische omgevingen beter te informeren, zal fundamenteel onderzoek een multimodale benadering moeten gebruiken die TMS-maatregelen en -manipulaties combineert met neuroimaging en gedragsmaatregelen om de onderliggende pathologische veranderingen en het effect van de behandeling beter te karakteriseren. Ten vijfde moeten de variabiliteit van individuele reacties met behulp van dual-site TMS-methoden worden gerapporteerd, omdat het belangrijke informatie kan opleveren over hoe interventies kunnen worden geoptimaliseerd voor verschillende hersengebieden, wat leidt tot nieuwe behandelingen op basis van individuele pathofysiologische mechanismen. Ten slotte moeten onderzoekers transparant zijn bij het rapporteren van bevindingen door negatieve resultaten42 op te nemen en gegevens openbaar te maken voor interpretatie om de steekproefgrootte te vergroten en efficiëntere wetenschap te bevorderen. Deze alomvattende aanpak zal de strengheid en reproduceerbaarheid vergroten bij zowel het verzamelen als analyseren van gegevens die toekomstige basisneurowetenschappen en klinische studies kunnen sturen. Uiteindelijk zal dit verbeteringen in experimenteel ontwerp mogelijk maken en gerichte therapieën optimaliseren, waardoor morbiditeit en stoornissen bij neurologische en psychiatrische aandoeningen worden verminderd.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd ondersteund door de Universiteit van Michigan: MCubed Scholars Program en 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).
Meten en manipuleren van functioneel specifieke neurale paden in het menselijk motorsysteem met transcraniële magnetische stimulatie
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

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