Login processing...

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

Neuroscience

מדידת ושינוי פונקציונלית מסלולים עצביים ספציפיים במערכת המנוע האנושי עם גירוי מגנטי Transcranial

doi: 10.3791/60706 Published: February 23, 2020

Summary

מאמר זה מתאר גישות חדשות כדי למדוד ולחזק מסלולים עצביים ספציפיים מבחינה פונקציונלית עם גירוי transcranial גנטי. מתודולוגיות גירוי מוחי מתקדמות שאינן פולשנית יכולות לספק הזדמנויות חדשות להבנת יחסי המוח-התנהגות ופיתוח של טיפולים חדשים לטיפול בהפרעות במוח.

Abstract

הבנת האינטראקציות בין אזורי המוח חשובה לחקר התנהגות בכוונת המטרה. הדמיה תפקודית פונקציונלית של קישוריות המוח סיפקה תובנות חשובות בתהליכים הבסיסיים של המוח כמו קוגניציה, למידה, ושליטה מוטורית. עם זאת, גישה זו לא יכולה לספק ראיות סיבתי למעורבות של תחומי המוח העניין. גירוי מגנטי Transcranial (TMS) הוא כלי רב עוצמה, לא פולשני לחקר המוח האנושי שיכול להתגבר על מגבלה זו על ידי שינוי משני של פעילות המוח. כאן, אנו להדגיש את ההתקדמות האחרונה באמצעות מזווג פולס, TMS שיטה כפולה באתר עם שני סלילים כי causally בדיקה קורטיקו-קורטיקלית במערכת המנוע האנושי במהלך הקשרי משימה שונים. בנוסף, אנו מתארים פרוטוקול TMS באתר כפול המבוסס על גירוי אסוציאטיבי לזווג (cPAS) זה מגביר את יעילות הסינפטיות בשני אזורי מוח מחוברים על ידי החלת זוגות חוזרים ונשנים של גירויים קורטיקלית עם שני סלילים. שיטות אלה יכולות לספק הבנה טובה יותר של המנגנון הבסיסי מנוע קוגניטיבי פונקציה כמו גם פרספקטיבה חדשה על מניפולציה מסלולים עצביים ספציפיים באופן ממוקד כדי לווסת את מעגלי המוח ולשפר את ההתנהגות. גישה זו עשויה להיות כלי יעיל כדי לפתח דגמים מתוחכמים יותר של יחסי המוח התנהגות ולשפר את האבחנה וטיפול של הפרעות נוירולוגיות ופסיכיאטריות רבות.

Introduction

גירוי מוחי לא פולשני הוא כלי הערכה מבטיח וטיפול בהפרעות נוירולוגיות רבות, כגון מחלת פרקינסון, מחלת אלצהיימר, ושבץ1,2,3,4. יש לצבור ראיות הקמת היחסים בין הביטויים ההתנהגותית של מחלות נוירולוגיות וחריגות של כושר ההתנהגות של קליפת המוח, נוירופלבוליות, קורטיקו-קורטיקלית וקורטיקו-קישוריות משנית5,6. לכן, ידע בסיסי על דינמיקה ברשת המוח ופלסטיות בתנאים נוירולוגיים יכול לספק תובנה לא יסולא בפז לאבחון מחלות, התקדמות, ותגובה לטיפול. תהודה מגנטית פונקציונלית הדמיה (fMRI) הוא כלי שימושי כדי להבין את היחסים המורכבים בין המוח וההתנהגות ברשתות מוח בריאים וחולים ויש לו את הפוטנציאל לשפר את הטיפול בהתבסס על הפרספקטיבה ברשת7,8,9. עם זאת , ה-MRI הוא correlational בטבע לא יכול לספק קשר סיבתי בין תפקוד המוח להתנהגות, או לתמרן קישוריות תפקודית לשחזר מעגלים עצביים חריגים הקשורים ליקויים התנהגותיים בחולים10,11,12. Transcranial מגנטית גירוי (TMS) יכול שניהם causally למדוד ולווסת את תפקוד המוח האנושי ואת ההתנהגות בריאות ומחלות3,13,14,15.

TMS היא שיטה בטוחה ולא פולשנית כדי לעורר את המוח האנושי16,17וניתן להשתמש בה כדי לזרז ולמדוד פלסטיות18. שיטה זו יכולה לקדם את הבנתנו את היחסים הסיבתי בין אזורי מוח בודדים והתנהגות10,11,12,19והאינטראקציות הפונקציונליות הספציפיות שלהם עם צמתים אחרים של רשת המוח20,21,22,23. עד היום, רוב המחקרים התמקדו מערכת המנוע האנושי, בהינתן כי TMS לאזור היד של קליפת המנוע (M1) יכול לייצר מנוע מעורר פוטנציאל (MEPs) כמו קריאות פיסיולוגיים עבור שינויים הקשורים התנהגות מוטורית24, המאפשר בחינה של מעגלים מעכבות והמשך שונים ברמת המערכת במוח האנושי25. ההתפתחויות האחרונות באמצעות מבחן מיזוג גישה TMS עם שני סלילים להראות כי ניתן למדוד אינטראקציות פונקציונלי בין אזורים קורטיקליים שונים. במערכת מוטורית, ניסויים TMS באתר כפול להראות כי תשומות מאזורים קורטיקליים מחוברים עם M1 יכול לשנות עם דרישות המשימה, גיל, או מחלה14,26. העבודה הזרע על ידי Ferbert ועמיתיו מצאו כי החלת גירוי מיזוג ל-M1 לפני גירוי מבחן של M1 אחרים יכול לגרום לעיכוב של משרעת MEP, תופעה המכונה עיכוב מרווח זמן קצר הבין (SIHI)28. מספר מחקרים TMS באמצעות גישה זו הראו גם כי M1 הוא באופן מאוד מחובר עם M1 הצלעות, מנוע טרום הגייתי (PMv), קליפת המוח הקדם מוטוריים (Pmv), אזור המנוע המשלים (SMA), pre-SMA, קליפת החושים העיקרית (S1), המוח האחורי (DLSOLI), וקליפת הקודקוד הקדמית (PPC) במנוחה27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42. מעניין, ההשפעה של גירוי מהאזורים האלה בקליפת המוח על היכולת המוטורית התנועתית מבחינה אנטומית, באופן זמני, ומבחינה פונקציונלית ספציפיים הפעילות המוחית מתמשכת במהלך הכנת תנועה (המדינה-ותלוי הקשר43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69). עם זאת, מחקרים מעטים מאוד באמצעות TMS באתר כפול יש לאפיין דפוסים של קישוריות קורטיקו פונקציונלית-קורטיקלית עם ליקויים מוטוריים וקוגניטיביים בחולים עם הפרעות במוח70,71,72. הדבר מעניק הזדמנויות לפיתוח שיטות חדשות להערכת וטיפול בהפרעות מוטוריות וקוגניטיביות.

באמצעות טכניקה זו, הוא גם נמצא כי זוגות חוזרים של קליפת המוח TMS להחיל אזורים קורטיקליים מחוברים עם m1 כגון68m1,69,70, pmv76,77,78, SMA71, ו PPC80,81,82 יכול לגרום לשינויים ביעילות סינפטית במסלולים עצביים ספציפיים מבוסס על העיקרון hebbian של הפלסטיות האסוציאטיבית83 ,84,85,86 ולשפר את ביצועי ההתנהגות72,73,74. עדיין, מחקרים מעטים השתמשו בגישה זו כדי לחקור את המעגל ותפקוד הפלסטיות בהפרעות נוירולוגיות2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90, 91,92, 93,94,95,96. זה נשאר להיות מוצג אם חיזוק מסלולים עצביים ספציפיים ספציפי עם TMS יכול לשחזר את הפעילות במעגלים לקוי, או אם חיזוק פוטנציאלי של מעגלים שלמים יכול להגדיל את העמידות97 ברשתות המוח התומכות תפקוד מוטורי וקוגניטיבי על פני תוחלת החיים ומחלות. חוסר ההבנה הבסיסית של המנגנונים העצביים המשמשים להפרעות נוירולוגיות ולהשפעות של גירוי ברשתות המוח הקיימות ביניהם מגביל את הטיפול הנוכחי.

למרות יכולתו, TMS עדיין להפוך לחלק רגיל של הארמנטיום של כלים מדעי המוח והקליני להבנת יחסי מוחי התנהגות, פתופסיולוגיה של הפרעות במוח, ואת האפקטיביות של הטיפול. לכן, כדי להגשים את הפוטנציאל שלה ולתמוך היישום הגדול שלה, סטנדרטיזציה שיטות TMS חשוב כי זה יותר סביר כדי להגביר את הקשיחות של ניסויים TMS עתידיים והקפדה על פני מעבדות עצמאיות. מאמר זה מתאר כיצד TMS יכול לשמש למדידה ולטיפול באינטראקציות פונקציונליות. כאן, אנו מתארים את הטכניקה הזאת במערכת המנוע (g., parieto-מנוע מסלול44) על ידי מדידת אמצעי פלט TMS מבוססי (למשל, meps), שם השיטה היא היטב היטב. עם זאת, חשוב לציין כי פרוטוקול זה גם יכול להיות מותאם היעד צימוד פונקציונלי של אחרים subcortical85, המוח86,87, ואזורים קורטיקלית. 73,74,88 בנוסף, טכניקות דימות מוחי כגוןEEG 89,90,91 ו fMRI92,93 ניתן להשתמש כדי להעריך את השינויים המושרה TMS בפעילות וקישוריות26,94. אנו להסיק על ידי הצעת כי המחקר של מעורבות תפקודית של קישוריות ברמה מעגל המוח עם שיטות אלה TMS בריאות ומחלות מאפשר לפתח ממוקדות אבחונים וטיפולים חדשניים מבוסס על מודלים רשת מתוחכמים יותר של יחסי המוח התנהגות.

Protocol

שלוש השיטות הבאות של TMS מתוארות להלן. ראשית, שתי שיטות מתוארות כדי למדוד קישוריות קורטיקו-קורטיקלית באמצעות גירוי מגנטי transcranial באתר כפול (dsTMS) בעוד המשתתפים הם 1) במנוחה (מצב מנוחה) או 2) ביצוע התנועה בבימויו של אובייקט הגעה לתפוס ( תלוי-משימה). שנית, השיטה מתוארת לווסת את הגומלין בין שני אזורי מוח בצורה מבוקרת על-ידי שיוך גירויים קורטיקליים (למשל, הקודקוד האחורי והעיקרי המנוע) כדי לחזק את פונקציונלי מסלולים עצביים ספציפיים עם TMS ולגרום לשינויים ביכולת הנוירוקורטיקלית. ערכת נתונים ייצוגית מסופקת עבור כל אחת מהשיטות. כל השיטות המתוארות בפרוטוקול זה אושרו על-ידי מועצת הסקירה המוסדית של אוניברסיטת מישיגן בהתאם להצהרת הלסינקי.

1. גיוס משתתפים

  1. המסך כל המשתתפים עבור כל התוויות ל TMS95,96,97,98,99,100 ודימות תהודה מגנטית (MRI) לפני גיוס. גייס משתתפים ימניים101 לניסויים בחקירת קישוריות פונקציונלית במערכת המוטורית.
  2. הודע לכל משתתף אודות יעדי המחקר, ההליכים והסיכונים שאושרו על-ידי לוח הסקירה המוסדי המקומי. קבל הסכמה בכתב לפני שהוא מאפשר לאדם להשתתף במחקר.

2. אלקטרומגרפיה (EMG) מיקום אלקטרודה

  1. הנחה את המשתתף לשבת בנוחות בכיסא הנסיוני עם שתי הזרועות הנתמכות בתנוחה רגועה. לספק משענת הסנטר למשתתפים במהלך TMS לשמור על התנועה בראש למינימום במהלך גירוי.
  2. לנקות את העור מעל שריר של עניין עם שפשוף קל. באמצעות ההסדר גיד הבטן, המקום אחד חד פעמי Ag-AgCl אלקטרודה על שריר הבטן ועוד על נקודת ציון גרמית בקרבת אתר התייחסות בשתי הידיים של המשתתף. חזור על שלב זה עבור כל שריר של עניין.
  3. לחבר אלקטרודה הקרקע לתהליך styloid האולמד. חשוב לבחון את רמת מגע הפנים של האלקטרודות עם העור לאורך זמן הניסוי, כי זה מונע את איכות העכבה של אות EMG. הצבת קלטת מעל פני השטח האלקטרודה יכולה לשפר את מידת המגע עם משטח העור.
    הערה: עבור פעולות ההגעה-לתפוס השרירים המשותפים למדו 1) הראשון interosseous (FDI), 2) חוטף השריר מקצר (החיפוש), ו 3) השרירים מצדיד (ADM) של היד.
  4. חבר אלקטרודות למשטח עם מגבר EMG ומערכת לרכישת נתונים. הקלט ואחסן את אותות EMG מהמגבר למחשב איסוף הנתונים עם תוכנת EMG לניטור מקוון וניתוח לא מקוון של אות EMG. באופן אופציונלי, להגביר את האות EMG 1, 000x, ולהשתמש הלהקה לעבור מסנן בין 2 Hz ו 2.5 kHz, הסרוקים על 5 kHz על ידי ממשק אנלוגי לדיגיטלי.

3. השוואת תחומי המוח עבור TMS ממוקדות

  1. שיטה 1: התאמה לשפות אחרות ללא סריקת MRI
    1. באמצעות 10 – 20 מערכת EEG מארק C3, הממוקם בערך מעל קליפת המנוע הראשי השמאלי (M1), ו P3, ממוקם כ על חלק של פיתול זוויתי בקליפת המוח השמאלית האחורי (PPC), על הקרקפת של המשתתף. עיין בשיטות שתוארו בעבר102 עבור שלבים ספציפיים כדי להתאים את אזורי המוח עם 10-20 מערכת EEG (ראה איורים 3 ו-4 מ וילאמאר ואח '102).
    2. לחילופין, כובע ראש של אלקטרונצגרפיה (EEG) יכול לשמש לקירוב אזורי המוח על הקרקפת. מניחים כיפה בגודל כראוי EEG על הראש של המשתתף וליישר את המיקום Cz על הכיפה עם מיקום Cz מסומן על הקרקפת של המשתתף. מארק C3 ו P3 באמצעות כובע.
      הערה: לוקליזציה ללא סריקת MRI של הפרט יש את הפוטנציאל להיות לא מדויק103. לכן, מומלץ מאוד להגביר את הדיוק והאמינות של המיקוד על TMS. הדבר עלול לגרום להבדלים פחות בתופעות הלוואי הנובעות מTMS.
  2. שיטה 2: שימוש בסריקת MRI
    1. לפני הפעלת TMS, השג את ה-MRI המבני של המשתתף (T1). . העלו את הסריקה למערכת עצבים
    2. צור שחזור תלת מימדי של המוח ושכבת העור באמצעות התוכנה העצבית. מניחים סמנים על ציוני הדרך האנטומיים בקצה האף, nasion, inion, ואת החריצים המוקדמת של שתי האוזניים. אין להשתמש tragus כפי שהוא יכול לנוע כאשר אטמי האוזן מוכנסים.
    3. לאתר את כפתור היד, את הציון האנטומי המתאים ל M1104, בפיתול השמאלי של המרכז. מניחים סמן מסלול בנקודה זו. עם המערכת העצבית נקודה זו צריכה להיות מיושרת 45 ° מהקו הmidsagittal ובניצב למרכז sulcus. רשום ונקוב בשם נקודת הציון האנטומית עם המערכת העצבית (איור 1).
    4. אתר את האזור הלא מוטורי של הריבית (למשל, על פני האזור הקדמי הפנימי sulcus ב PPC). מניחים סמן מסלול שני על הציון האנטומי הזה. רשום ונקוב בשם המיקום במערכת העצבים (איור 1).
  3. ביצוע סליל ורישום ראש עם מערכת המעקב
    1. כיול שני סלילי TMS עם בלוק הכיול בנפרד באמצעות מערכת העצבים.
    2. הנח את מכשיר המעקב הראשי על ראש המשתתף כך שמאתר המעקב יהיה בתצוגה לאורך כל משך הניסוי.
    3. מקורגיה את ציוני הדרך האנטומיים על ראש המשתתף למערכת העצבים. אם לא התקבל MRI מתוך המשתתף, השתמש ב-MRI של תבנית מתוך המכון הנוירולוגי של מונטריאול.
      הערה: חשוב לא להחיל יותר מדי כוח עם המצביע על העור של המשתתף כדי למנוע אי נוחות ואי-דיוקים בעת ביצוע רישום. זה עשוי להיות בעל ערך לבדוק בקביעות במהלך הניסוי כי מכשיר המעקב הראשי לא זז. הליכים אלה מבטיחים דיוק כאשר מיישמים את סליל TMS לאזור מטרה לגירוי במהלך הניסוי.

4. לוקליזציה TMS האופטימלי מיקום סליל וקביעת סף

הערה: בניסוי זה, סלילM1 מתייחס לסליל המשמש כדי לספק גירוי ל-m1, בעוד סליל2 מתייחס הסליל המשמש לספק גירוי לאזור בקליפת המוח השני של העניין (למשל, קליפת הקודקוד האחורי). סף מעל M1 חייב להיקבע עבור סליל2 כדי לחשב את פלט הגירוי המירבי (MSO) הנמצא בשימוש באזורים שאינם מוטוריים. יש לדווח על ערכי הסף המוטוריים על מנת לאפשר השוואות והשוואה באמצעות ניסויים.

  1. התאמה לשפות אחרות וסף עם סליל2
    1. מיקום מרכז סליל2 מעל היעד M1 מיקום המזוהה בסעיף הקודם כדי לגרום לכיוון הנוכחי האחורי הקדמי במוח.
    2. כדי למצוא את המיקום האופטימלי להפעלת שריר היעד, לספק פולסים ל M1 ב 30% של ה-MSO של המחשב. שימו לב האם הגירוי המועבר מייצר שריר מעוות וקובע את משרעת היכולת המוטורית המוריקה (MEP) שנרשמה עם אלקטרודות EMG מפעילות השריר המוצגת על ידי מערכת רכישת הנתונים.
    3. אם העווית או שריר נראה לעין לא נצפתה, המשך להגדיל את תפוקת הגירוי בדרגות של 5%. המיקום, סיבוב, המגרש, ולהסב של סליל TMS עשוי להיות צורך לכוונן כדי למטב את משרעת של MEP. חזור על הפעולה עד שנצפתה תגובה.
    4. להקטין את העוצמה בצורה החורגת לעוצמה הנמוכה ביותר המפיקה לפחות 5 מתוך 10 mep תגובות עם משרעת של ≥ 50 μv בעוד המשתתף הוא במנוחה97,98,105. זה מוגדר סף מנוע מנוחה (RMT).
    5. להבטיח את משך המפגש הסף ששתי הידיים נמצאות במצב מנוחה עם הזרועות והידיים הנתמכות עם כריות.
    6. לספק משוב חזותי או שמיעתי בזמן אמת של פעילות שריר מ EMG (למשל, על צג או רמקול) לאורך הפגישה, במיוחד אם יש פעילות שרירים מוגזמת (למשל, אוכלוסיות מבוגרים מבוגרים).
    7. באופן רציף לשאול משתתף על רמות של נוחות.
      הערה: חשוב שכל ההליכים המתוארים לעיל יבוצעו בנפרד ויחזרו על כל סליל TMS כדי לקבוע את הפרמטרים הספציפיים המשמשים את הניסוי עבור סלילי בגודל שונים (למשל, לוקליזציה מיקום מיטבי של סליל TMS וקביעת עוצמות גירוי לסף מוטוריות). זה גם חשוב כי המרווח בין פולסים TMS הוא > 5 s כדי למנוע גרימת שינויים ביכולת הקורטיקלית.
  2. התאמה לשפות אחרות וסף עם סלילM1
    1. חזור על הצעדים המתוארים לעיל כדי למצוא את מיקום הגירוי האופטימלי עם הסלילM1.
    2. לקבוע את עוצמת הגירוי הנמוך ביותר הדרוש כדי ליצור MEPs של ≥ 1 mV ב 5 של 10 מבחנים בשריר יד היעד כאשר השריר הוא רגוע לחלוטין. סמנו את מיקומו של סלילM1 . בעזרת המערכת העצבית

5. TMS באתר כפול (מצב מנוחה)

  1. השתמש בשני סלילים בצורת שמונה (למשל, סלילM1 ו סלילשני) מחוברים שני TMS בודדים הגירוי (למשל, שני מגגננים 2002 יחידות). לספק את הגירויים במבחן (TS) מעל M1 עם סלילm1 (למשל, D70 ² איור-8 בצורת סליל, קוטר מחוץ של לולאה הוא 7 ס מ) ואת גירויים מיזוג (CS) לאזור אחר של עניין עם סליל2. (g., D50 Alpha B.I., קוטר מחוץ של כל לולאה הוא 5 ס מ).
  2. קבע את אחוז עוצמת ה-MSO לגירוי מיזוג (CS) עבור סליל2.
    הערה: אחוז העוצמה של MSO הוא לעתים קרובות בין 70 ל-140 של RMT ויהיה תלוי בפרמטרים וביעדים הספציפיים של הניסוי (ראו לוח 3 מלה-פלור ואח '14). עבור ניסוי זה, CS הוגדר ב 90% של rmt, בדומה לפרמטרים המשמשים במקום אחר35,44,60.
  3. לגירוי הבדיקה (TS), השתמש בעוצמה שנקבעה בעבר, אשר מעוררת את המסת ה-MEP של ~ 1 mV בשריר הידיים המכוון השקט.
  4. הגדר את מרווח הגירוי הבין-מדעי (ISI) המדויק בין CS ו-TS.
  5. השתמש בתוכנת הבקרה שסופקה או בפקד חיצוני דרך פולסים TTL כדי לשלוט על משתמשי ה-ISI עבור שני הפולסים. ה-ISI לעתים קרובות נע בין 4 עד 20 ms (לראות את שולחן 1 מ לה לה ואח '14). עבור הניסוי הזה, CS ל PPC קדמו ל-M1 על ידי היחידה הפקיסטאני של 5 ms.
  6. באמצעות סקריפט קידוד מותאם אישית, ליצור בסדר אקראי את משפטי TMS הדופק היחיד (TS לבד) ו לזווג הדופק TMS מבחנים (CS-TS) ב-ISI שצוין.
  7. מיקום סלילM1 מעל m1 שמאל ומיקום סלילשתיים על האזור האחר של הריבית.
  8. העבר את משפטי ה-TS בלבד עם סלילM1. עבור הניסויים המשויכים לפולס (CS-TS), העבר את ה-CS עם סלילשני ואחריו ה-TS ל-"סלילM1 " ב-איסיס הקבועה מראש. זה מומחש באיור 2. חזור על מינימום של 12 נסיונות עבור כל תנאי. מסור את ה-TS לפחות 1 לאחר תחילת המשפט כדי לאסוף פעילות מראש של EMG. השתמש בניקוי של רכישת נתונים של 4 עבור כל ניסוי ולאחריו מרווח בין-ניסיוני של 1.
  9. במידת הצורך, התאימו את מיקומי הסליל TMS בקלות כדי להתאים את המיקום של שני הסלילים על המיקומים הייעודיים שנבחרו על ראש המשתתף. התאימו והקליטו את המיקום החדש של סלילM1 ו-סליל2 שימוש במערכת העצבים בהתאם.
  10. השתמש בלחצן ההדק במחשב TMS עבור תוכנת הבקרה שסופקה או סקריפט הקידוד שנוצר בהתאמה אישית מהבקר החיצוני כדי לספק את הפולסים הTMS המתוכנתים.
    הערה: עבור ניסוי זה, מערכת רכישת נתונים (g., מיקרו 1401) וחבילת תוכנה (למשל, האות גרסה 7) שימשו כדי ליצור גירויים, ללכוד נתונים, לשלוט על הציוד החיצוני, ולהפעיל את הניתוח. סקריפטים מותאמים אישית קידוד השתמשו להפעיל ולנתח נתונים מן הניסויים זמינים מן המחבר המתאים.

6. TMS באתר כפול (הקשר משימה)

הערה: TMS באתר כפול ניתן להשתמש גם כדי לבדוק אם קישוריות תפקודית במנוחה יכול להיות מאופנן על ידי הקשרי משימה שונים.

  1. בצע את אותה השיטה המתוארת בסעיף לעיל כדי לבחון אינטראקציות פונקציונליות בין אזורים קורטיקליים שונים המחוברים ל-M1, אך במהלך ההכנה של פעילות העוסקת ברשת (למשל, במהלך תוכנית הפעולה לאחיזה).
  2. לקבוע את קורס הזמן ואת אזור קליפת העניין (למשל, PPC) כדי ללמוד אינטראקציות פונקציונליות עם M1 במהלך הכנת תוכנית תנועה מורכבת (למשל, אחיזה מונחה האובייקט או לתפוס את כל יד43,44,45,46,47,48,49, 106) עבורשרירי היד סלקטיבי.
  3. באמצעות סקריפט קידוד מותאם אישית, ליצור בסדר אקראי את התזמון של TS לבד מבחנים מזווג הדופק (CS-TS) ב-ISI מסוים לאחר האות ' GO ' במהלך תקופת זמן התגובה (שלב התוכנית) כך הקלטות MEP נאספים לפני התנועה ייזום (תקופת התנועה המוקדמת) עבור הפעילות.
  4. לספק בודד TMS (ts לבד) או לזווג-פולס TMS (CS-TS) רגשים בין 50 ו 800 ms לאחר ' GO ' cue47,49 במהלך תוכנית פעולה של תנועות יד מורכבות. ראה איור 3 לתזמון משפט הקשור לאירועים לניסוי זה. קבצי ה-script לקידוד מותאם אישית המשמשים להפעלת התזמון של מבחנים הקשורים לאירועים זמינים מהמחבר המתאים.
    1. לפני הפעלת הבדיקה עם TMS, יש המשתתף לבצע את המשימה עבור מינימום של 50 משפטי תרגול כדי ליצור זמן תגובה עקבי. עודד את המשתתף לשאול שאלות אודות המשימה כדי להבטיח ביצועים אמינים במהלך הפעלת הבדיקה עם TMS.
    2. השתמש בסקריפט הקידוד המותאם אישית כדי לספק את כל השילובים של TMS (ts בלבד) או לזווג פולס TMS (CS-TS) ומשימה (למשל, אחוז בראש קטן יותר או אחוז בעצם תחתון גדול יותר) במהלך תקופת זמן התגובה (שלב התוכנית), כך שהקלטות של mep מ נאסף לפני חניכה התנועה בפועל.

7. גירוי מזווג בקליפת התחת (cPAS)

הערה: פרוטוקול זה כרוך בהעברת זוגות של פולסים מונוחטיים לשני אזורים קורטיקליים שונים על פני תקופות קצרות כדי לגרום שינויים ספציפיים למסלול בחוזק הסינפטית בין הקשרים בתוך המוח האנושי. גישה זו מבוססת על עקרונות hebbian של ספייק התלוי בתזמון הפלסטיות107,108,109,110. בדומה שיטות TMS באתר כפול, cPAS מועברת עם שתי מכונות TMS מחוברים שני סלילים בודדים TMS על שני אזורים קורטיקליים שונים (למשל, PPC ו M1).

  1. באמצעות סקריפט קידוד מותאם אישית, ליצור 100 זוגות של גירויים ב 0.2 הרץ (8.3 דקות משך כל אחד). עבור cPAS הניסיוני2 → מצב M1 , לספק את הגירויים הראשונים על האזור הלא מוטורי (למשל, PPC) עם סלילשתיים עם עוצמת הדופק שצוין (g., 90% rmt) עבור 5 ms לפני הגירוי השני על M1 עם סלילm1 עם עוצמת הדופק כי מעורר משרעת mep של ~ 1 mV בשריר
  2. חשוב לשלוט ב: 1) כיוון הקישוריות (CTRLM1 → שני); 2) העיתוי (CTRLISI = 500ms); ו-3) הגירוי האתר (CTRL באתר הבקרה → M1) בהפעלות נפרדות. לדוגמאות ראו72,74,111,112. סקריפטים מותאמים אישית קידוד עבור כל תנאי cPAS זמינים מן המחבר המתאים. ניתן לכוונן את פרמטרי הגירוי (למשל, עוצמות ו-ISI) עבור אזורים קורטיקליים שונים. התייחס לטבלה 2 מלה-פלור ואח '14 לסיכום פרוטוקולים הפלסטיות.
  3. השתמש בהליכים המתוארים בסעיפים קודמים כדי להנחות את המיקום המדויק של הסלילים TMS.
  4. השג מדידות corticospinal בסיסית עם סלילM1 (g., ~ 24 meps).
  5. באקראי את המשתתפים אחת מארבע קבוצות התערבות: 1) cPAS 2 → M1; 2) CTRLM1 → שני; 3) CTRLISI = 500ms; 4) CTRL באתר הבקרה → M1.
  6. עבור ניסוי זה רק cPAS ניסיוני שני → תנאי M1 נבדק ו PPC שימש את אזור הריבית. בעת ביצוע הפעלות מרובות על אותו משתתף, חשוב כי כל מפגש ניסיוני מופרד על ידי לפחות 48 h בסדר אקראי כדי למנוע אפקטים מוצלב. כמו כן, חשוב לחזור על הפעלות בתוך כל משתתף באותו הזמן ביום כדי לשלוט בערנות.
  7. השתמש בסקריפט הקידוד המותאם אישית כדי לספק את התנאי cPAS שצוין.
  8. עקוב אחר פעילות השריר של היד האחרת (שמאל) במהלך הניסוי עם EMG כדי להבטיח את היד הוא רגוע לחלוטין במהלך הפרוטוקול.
  9. השג מדידות corticospinal עם סלילM1 (למשל, על 24 meps) בזמנים שונים לאחר cpas (למשל, 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 דקות) כדי לבחון את מהלך הזמן של ההשפעה TMS המושרה על המוח מרגש.
    הערה: הפרוטוקול הנסיוני המשמש כאן מוצג באיור 4. רוב המחקרים עד היום יש התמקדו במערכת המנוע כי MEP הוא מדידה תוצאה אמינה. עם זאת, אמצעים התנהגותיים72,73,74 וחוזק קישוריות פונקציונלי עם fMRI92,93 ו-EEG89,90 בעקבות TMS מניפולציה של הפלסטיות האסוציאטיבית יכול להיות גם נחקר. שיטות אלה יכולים גם להיות מאומץ עבור אזורים קורטיקליים שונים שאינם כוללים M1 כמטרה קורטיקלית.

8. עיבוד וניתוח נתונים

  1. בדיקת חזותית emg נתונים במצב לא מקוון ולהשליך כל עקבות מראה פעילות שרירים שבה השורש הממוצע פעילות emg בשרירים חרג רמת הרקע של 10 μv במהלך 100 ms מיד לפני הדופק TMS כדי להבטיח את השרירים היו במנוחה59,113.
  2. באופן דומה, להיפטר מכל הניסויים עם פעילות emg החופפים עם הדופק TMS במהלך תקופת ההכנה התנועה (g., 800 ms חלון47,49) באתר כפול TMS מחקרים הקשר משימה כדי להוציא תגובות מחודש.
  3. עבור כל משפט MEP, למדוד את משרעת שיא לשיא בין הערכים המינימלי והמקסימלי ב-mV בחלון הזמן בין 50 ms לפני ו 100 ms לאחר TS105.
  4. חשב את ממוצע ההגברה של ה-MEP במילי-וולט מניסויי ה-TS בלבד והנסיונות הממטים (CS-TS) עבור כל משתתף. חשב את הממוצע בכל המשתתפים. דווח על ערכים אלה.
  5. לאחר מכן, לנרמל את משרעת ה-MEP הרעה מפני מבחנים משויכים לגירוי פולס (CS-TS) מפני נסיונות הפעולה החד הבלתי ממוזגים (TS לבדו) עבור כל משתתף ותנאי. בטא את הגברה ה-MEP כיחס למצב TS הבסיסי.

Equation 1

  1. חשב את הממוצע בכל המשתתפים. דווח על ערכים אלה.

Representative Results

איור 5 מראה את הגודל של תגובה mep מופק הנובעת השריר FDI ידי TMS עבור גירוי בדיקה בלתי ממוזג (TS לבד M1, סימן כחול) או גירויים ממוזג מ PPC (CS-TS, סימן אדום) בעוד המשתתף היה במנוחה (הפאנל העליון) או תכנון המטרה מכוונת פעולה אוחז לאובייקט (הפאנל התחתון) במנוחה, PPC משפיע על השפעה מעכבות על הפחתת הצלעות M1, כפי שמוצג על ידי ירידה ב-MEP הגברה המוני על ידי מדעי הסף מועברת על PPC 5 ms לפני משענת TS suprathreshold מעל M1 (הפאנל העליון). במהלך הכנת פעולה לתפוס, זה מעכבות נטו כונן במנוחה מ PPC מוחלף להנחיה (שחרור של עיכוב). כדי להשוות במישרין בין אינטראקציות PPC-M1 במהלך מנוחה לעומת דרישות משימה, ההגברה של משפחת מקורפ הייתה מנורמלת ל-TS לבדו ניסויים עבור כל תנאי והותוות כיחס עבור משרעת MEP. האינטראקציה של PPC-M1 היתה מנוחה כאשר מתכננים תפיסה מכוונת אובייקט (פסים סגולים).

הלוח העליון באיור 6 מציג שינויים בהגברה במהלך הניהול של פרוטוקול cpas. המוני MEP המושרה על ידי גירוי לזווג PPC ו-M1 גדל בהדרגה לאורך זמן במהלך פרוטוקול גירוי, מציע אפקטים פלסטיים ברמה של החיבור parieto-מנוע, M1 corticospinal נוירונים, או שניהם. הפאנל התחתון של איור 6 מראה שינויים הגברה MEP המוני מניח בשריר FDI מנוחה על ידי TMS פעימה אחת על M1 לפני ואחרי פרוטוקול cpas. הגודל של הגברת MEP המוני גדל 10 דקות לאחר הפרוטוקול cPAS, מציע השפעות מוטוריות ההשפעות הנובעות לאחר הממשל של זוגות חוזרים ונשנים של גירויים קורטיקליים על PPC ו M1.

Figure 1
איור 1: שחזור תלת מימדי של MRI אנטומי של משתתף אופייני עם אתרים קורטיקליים מסומנים על קליפת המנוע העיקרית (M1, סמל כחול) וקליפת הקודקוד האחורי (PPC, סמל אדום) באונה השמאלית. תוכנה עצבית לTMS הועסק במטרה להתמקד באזורים הקורטיקליים שנקבעו בנפרד עם כל סליל של איור 8 TMS. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: ייצוג סכמטי של האתר כפול, לזווג הדופק transcranial מגנטי גירוי עם שני סלילים (dsTMS) השתמשו כדי לחקור אינטראקציות פונקציונליות בין קליפת המוח האחורי (PPC) ואת קליפת המנוע העיקרית (M1) במנוחה (מצב מנוחה). הפקולטה למדעי המחשב הוחלה על PPC כדי לבחון את השפעתו על suprathreshold שלאחר מכן ל-M1. כל שינוי משרעת של תגובת השריר יד ימין TMS נמדד עם EMG. עבור ניסוי זה, עוצמת CS היתה 90% של RMT. העוצמה של ה-TS הותאמה כדי להפיק MEP של ~ 1 mV השיא לשיא ב-FDI הנינוח ו-ADM. . היחידה שבין הפולסים הייתה 5 מילישניות נא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: הגישה dsTMS להשתמש כדי לחקור אינטראקציות פונקציונליות בין PPC ו-M1 במהלך תנועת להגיע לתפוס (הקשר המשימה). התאורה של LED הורה למשתתף לתכנן אחת משתי פעולות יד ימין הימניים על אובייקט היעד: 1) לתפוס את הצילינדר העליון קטן יותר או 2) לתפוס את הצילינדר התחתון גדול. TS לבד או CS – TS ב-ISI שצוין (למשל, 5 אלפיות הראשונה) נמסר 300 ms לאחר האות ' GO ' (g., LED התפרצות) במהלך תקופת זמן התגובה (שלב התוכנית) כגון הקלטות MEP נאספו לפני ייזום התנועה בפועל (קו שחור מנוקד). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: סכמטית של פרוטוקול גירוי אסוציאטיבית לזווג (cPAS) משמש לחיזוק מסלולים עצביים ספציפיים מבחינה פונקציונלית. הגירוי הראשון הוחל על אזור העניין עם סליל2 (למשל, PPC, סליל אדום) 5 ms לפני הגירוי השני נמסר M1 (כחול סליל) עם סלילM1. זוגות של גירויים קורטיקליים נמסרו בתדר של 0.2 הרץ (פעם כל 5 s) וחזר עבור 100 מבחנים (~ 8.3 דקות). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: עקבות מרשמים MEP עבור גירוי בדיקה בלתי ממוזג (TS לבד, מעקב כחול) או גירוי ממוזג (CS-TS, סימן אדום) עבור מצב מנוחה (הפאנל העליון) ותלויי הקשר (הפאנל התחתון) המצב. תרשימי עמודות מציגים את ההגברה של ה-MEP בפרוטוקול dsTMS כאשר המשתתף נמצא במנוחה או בביצוע משימה מאוחז (פעולה). כאשר המשתתף היה במנוחה (הפאנל העליון), CS-TS (אדום בר) ירד משרעת ממוצע של MEPs (עיכוב) לעומת TS לא ממוזג לבד (בכחול בר). לעומת זאת, כאשר המשתתף תכנן את המשימה להגיע להישג (הפאנל התחתון), משרעת ה-MEP הממוצע גברה (הנחיה) עבור מבחנים של CS-TS (אדום) בהשוואה למבחנים של TS בלבד (כחול בר). כדי להשוות באופן ישיר את האינטראקציה PPC-M1 עבור מנוחה לעומת מצב פעולה, משרעת ה-MEP הממוצע מעורר על ידי גירוי מזווג פולס (CS-TS) היה מנורמל על ידי חישוב היחס של משרעת יחסית משרעת MEP ממוצע לא מותנה (TS לבד). פסים סגולים מייצגים את משרעת ה-MEP הנורמלת עבור כל תנאי. Y = 1 מציין שאין השפעה של CS ב-M1 ביכולת (קו שחור מנוקד), בעוד שיחסי גודל גבוהים מ-1 מציינים את היחס המוגבר של M1 ויחסי הגודל הנמוכים מ-1 מצביעים על ירידה ביכולת הגירוי של M1 בגלל גירויים ממוזגים (CS-TS). קווי שגיאה מייצגים את SEM. נא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: MEPs במהלך cPAS. הפאנל העליון מראה כי הגברה MEP המוני גדל במהלך הממשל של cPAS. הפאנל התחתון מציג את ההשפעה של פרוטוקול cPAS על משרעת MEP. לאחר ההתערבות cPAS (אדום בר) corticospinal היכולת גדל לאחר 10 דקות (בר אפור כהה) לעומת בסיס (בר אפור בהיר), כפי שמוערך על ידי MEPs בשרירי היד השקט. הבר האדום מייצג את ההתערבות הגירוי לזווג, cPAS (100 זוגות ב 0.2 הרץ, ~ 8.3 דקות). הדבר מרמז על כך שאינטראקציות של מנועי parieto עם cPAS יכולות לגרום לשינויים ארעיים בפלסטיות המוטורית. קווי שגיאה מייצגים את SEM. נא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

השיטה TMS באתר כפול המתואר כאן יכול להיות מועסק כדי לחקור אינטראקציות פונקציונליות בין אזורים קורטיקליים שונים המחוברים עם קליפת המנוע העיקרית בעוד משתתף במנוחה או תכנון פעולה מכוונת המטרה. בעוד הדמיה של המוח הוא המתאמת, הידע הבסיסי של שיטות TMS באתר כפול יכול לחשוף יחסי המוח הסיבתי התנהגות הקשורים שינויים במעגלים קורטיקו-קורטיקלית. בנוסף, גירוי לזווג קורטיקלית עם שני סלילים TMS להחיל באזורים המחוברים עם M1 יכול להיות מועסק כדי לחזק את הקישוריות הספציפית הפונקציונלית לבקרת תנועה ולהגדיל את היעילות של גרימת פלסטיות. שצולמו יחד, שיטות אלה להדגים כי פרוטוקולי TMS אלה יכולים למדוד ולתפעל את הפעילות העצבית הבסיסית של זרימת המידע בין אזורי המוח באופן אנטומי, משימה, ותלוי זמן בתוך מערכת המנוע. זה מעניק הזדמנויות לבדוק השערות שונות הקשורות לתרומה סיבתי של אזורים קורטיקליים לתפקוד המנוע.

באור זה, הגישה יכולה גם לספק בסיס חיוני להבנת קישוריות רשת ברמת מערכות בחולים נוירולוגיים ופסיכיאטריים עם סימפטומים דומים ולאפשר את השימוש בו ככלי כדי לאבחן ולטפל בתפקוד מעגלי. לכן, חשוב למחקרים נוספים כדי לחקור אזורים קורטיקליים אחרים מחוץ למערכת המנוע כדי לבדוק את היכולות הגנריות שלה על פני רשתות המוח במוח בריא וחולה. זהו גורם חשוב שניתן להניח כי התגובה ל-TMS באזור מוחי אחד תיצור את אותו האפקט הפיזיולוגי בעת החלתם על אזור אחר. זה גם יתרון שהליכים אלה יכולים להיות מורחבים לתנועות מורכבות יותר, ותחומים אחרים מחוץ לתנועה כגון הכרה, תפיסה ומצב רוח. אכן, מספר מחקרים באמצעות TMS באתר כפול ו cpas החלו לבחון את ההשפעות ואת הכדאיות של המחקר במערכות החזותיות והקוגניטיבית73,74,88. חשוב מכך, זה יהיה להרשות לעצמו את ההזדמנויות לפתח הבנה מתוחכמת יותר של התחתון העצבי מקשרת בין פעילות המוח לבין תפקוד מוטורי, קוגניטיבי, ורגשית. כתוצאה מכך, הוא קריטי כי ידע מכונאי מוצק על המעגלים העצביים דינמי באוכלוסיית החולים הוא נחקר לפני קביעת התועלת של החלת הפרוטוקולים הללו על הגדרות קליניות בעתיד.

למרות הראיות הגוברת עולה כי TMS היא גישה הרומן מסוגל לאפיון תפקוד סינפטית ופלסטיות בהפרעות נוירולוגיות ופסיכיאטריות כגון מחלת פרקינסון, מחלת אלצהיימר, שבץ, השירות הקליני של אלה צריך להקים הערכות בקנה מידה גדול יותר. יתרה מזאת, עד כה כל העבודה באוכלוסיית המטופלים מתמקדת רק במעגלים הפונקציונליים בעוד המשתתפים במנוחה. זה חיוני כי לימודים עתידיים עם TMS באתר כפול לשקול המדינה-ומשימות תלויי ההשפעות, במיוחד כאשר החולה הוא תיגר, כדי למלא פערים ידע בהבנת איך הדינמיקה המוח שונה לתרום מנוע ספציפי, קוגניטיבית, ורגשית תפקוד. חשוב לעשות זאת, הגדרה זו מאפשרת הזדמנויות חסרות תקדים למחקר מקיף של מעגלי המוח התפקודי והפלסטיות באופן בלתי פולשני על ידי הקלטה ותפעול של פעילות עצבית. זה יכול בסופו של דבר להיות מתורגם לטיפולים קליניים חדשניים להפרעות במוח.

מחכה להתקדמות הקלינית הזאת, צעד ראשון קריטי הוא להגביר את הקשיחות ואת הTMS של ניסויים במעבדות עצמאיות על ידי מתן הליכים מתודולוגיים מוגדרים היטב כי הם ניתן לפריסה בקלות ניתנת לשיתוף. ההנחיות הבאות לפרוצדורות TMS המתוארות לעיל עשויות לסייע לתקנן את העיצוב, ההטמעה והconclusiveness של הממצאים. ראשית, פרמטרים הגירוי כגון העוצמה, משך, הזמן, העיתוי, מיקום סליל, ומיקומים אנטומיים צריך להיות מתועד בקפידה וחזר באותו הקשר משימה על פני מספר מעבדות עצמאיות כדי לעודד בדיקות בקנה מידה גדול יישום. שנית, מטרות המוח צריך להיות מוגדר בדיוק בהתבסס על קריטריונים אנטומיים ופונקציונלי ברורים ללכוד את פעילות המוח בתוך מעגלים המוח הקשורים התנהגות. שלישית, יש להשתמש בשימוש עצבי כדי להנחות את מיקום הסליל TMS כאשר המיקוד אמר מעגלי המוח. כמו כן, מומלץ שניסויים יהיו מונחי השערות וישתמשו הן במשימת בקרה כדי להבטיח שהשינויים קשורים באופן סלקטיבי להקשר הפעילות ולאתר מוחי בקרה מחוץ לרשת היעד הממוקדת כדי לשלול את ההשפעה הלא ספציפית של גירוי. רביעית, כדי ליידע טוב יותר את הדיוק אבחון ויעילות טיפולית של שיטות אלה בהגדרות קליניות בעתיד, מחקר בסיסי יהיה צורך להשתמש בגישה רב מודאלית שילוב מדדי TMS ומניפולציות עם דימות מוחי ואמצעים התנהגותיים כדי לאפיין טוב יותר את השינויים הפתולוגיים הבסיסיים ואת ההשפעה של הטיפול. החמישית, השונות של תגובות בודדות באמצעות שיטות TMS באתר כפול צריך להיות מדווח כי זה יכול לספק מידע חשוב על איך התערבויות יכול להיות אופטימיזציה עבור אזורי מוח שונים, המוביל טיפולים חדשים המבוססים על מנגנונים פתופסלוגיים בודדים. לבסוף, החוקרים צריכים להיות שקופים בעת דיווח ממצאים על ידי כלילת תוצאות שליליות42 ולהפוך את הנתונים לזמינים לציבור לפרשנות כדי להגדיל את גודל המדגם ולקדם מדע יעיל יותר. גישה מקיפה זו תגדיל את הקשיחות והתוכנות הן באוסף והן בניתוח של נתונים שיכולים להנחות בעתיד בסיסי מדעי המוח ולימודים קליניים. בסופו של דבר, זה יאפשר שיפורים בעיצוב ניסיוני ולייעל טיפולים ייעודיים, ובכך להפחית את התחלואה וליקויים בהפרעות נוירולוגיות ופסיכיאטריות.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

עבודה זו היתה נתמכת על ידי אוניברסיטת מישיגן: מהקוביות מדענים ובית הספר של קיסיולוגיה.

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).
מדידת ושינוי פונקציונלית מסלולים עצביים ספציפיים במערכת המנוע האנושי עם גירוי מגנטי Transcranial
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