Login processing...

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

Neuroscience

Измерение и манипулирование функционально специфическими нейронными путями в моторной системе человека с транскраниальной магнитной стимуляцией

doi: 10.3791/60706 Published: February 23, 2020

Summary

В этой статье описаны новые подходы к измерению и укреплению функционально специфических нервных путей с транскраниальной магнитной стимуляцией. Эти передовые неинвазивные методы стимуляции мозга могут предоставить новые возможности для понимания отношений между мозгом и поведением и разработки новых методов лечения расстройств мозга.

Abstract

Понимание взаимодействия между областями мозга имеет важное значение для изучения целенаправленного поведения. Функциональная нейровизуализация связности мозга дала важное представление о фундаментальных процессах мозга, таких как познание, обучение и двигательный контроль. Однако такой подход не может служить причинно-следственной связью с участием областей мозга, представляющих интерес. Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) является мощным, неинвазивным инструментом для изучения человеческого мозга, который может преодолеть это ограничение путем преходящего изменения активности мозга. Здесь мы выделяем последние достижения с помощью парного импульса, двойного сайта TMS метод с двумя катушками, что причинно-следственные зонды кортико-кортических взаимодействий в двигательной системе человека в различных контекстах задачи. Кроме того, мы описываем протокол TMS с двойным участком на основе корковой парной ассоциативной стимуляции (cPAS), который временно повышает синаптической эффективности в двух взаимосвязанных областях мозга, применяя повторяющиеся пары корковых стимулов с двумя катушками. Эти методы могут обеспечить лучшее понимание механизмов, лежащих в основе когнитивно-двигательной функции, а также новый взгляд на манипулирование конкретными нервными путями в целенаправленной модулировать мозг схем и улучшить поведение. Этот подход может оказаться эффективным инструментом для разработки более сложных моделей отношений между мозгом и поведением и улучшения диагностики и лечения многих неврологических и психических расстройств.

Introduction

Неинвазивная стимуляция мозга является перспективным инструментом оценки и лечения многих неврологических расстройств, таких как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, и инсульт1,2,3,4. Существует накопление доказательств установления связи между поведенческими проявлениями неврологических заболеваний и аномалии корковой возбудимости, нейропластичность, кортико-кортикальной и кортико-субкортикальной связи5,6. Таким образом, базовые знания о динамике мозговой сети и пластичности в неврологических условиях могут обеспечить бесценное понимание диагностики заболеваний, прогрессирования и реакции на терапию. Функциональная магнитно-резонансная томография(fМРТ) является полезным инструментом для понимания сложных отношений между мозгом и поведением в здоровых и больных сетях мозга и имеет потенциал для улучшения лечения на основе сетевой перспективы7,8,9. Тем не менее, FМРТ является корреляционным по своему характеру и не может обеспечить причинно-следственную связь между функцией мозга и поведением, ни манипулировать функциональной связи для восстановления аномальных нейронных цепей, связанных с поведенческими нарушениями у пациентов10,11,12. Транскраниальная магнитная стимуляция (TMS) может как причинно измерять, так и модулировать функцию и поведение мозга человека в области здоровья и болезни3,13,14,15.

TMS является безопасным, неинвазивным методом стимулирования человеческого мозга16,17и может быть использован для индуцирования и измерения пластичности18. Этот метод может продвинуть наше понимание причинно-следственных связей между отдельными областями мозга и поведением10,11,12,19и их специфические функциональные взаимодействия с другими узлами мозговой сети20,21,22,23. На сегодняшний день большинство исследований были сосредоточены на двигательной системе человека, учитывая, что TMS в области рук окоражного двигателя (M1) может производить двигатель вызванные потенциалы (MEPs) как физиологические считывания для изменений, связанных с поведением двигателя24, что позволяет иссмотреть различные ингибирующие и возбуждающие цепи на системном уровне в мозге человека25. Последние достижения с использованием кондиционирования тест TMS подход с двумя катушками показывают, что можно измерить функциональные взаимодействия между различными корковых областях. В моторной системе эксперименты TMS с двойным участком показывают, что входы из корковых областей, связанных с M1, могут меняться с требованиями задач, возрастом или болезнью14,26. Семинальная работа Ферберта и его коллег обнаружила, что применение стимула кондиционирования к M1 до испытательного стимула других M1 может привести к ингибированию амплитуды MEP, явление, известное как короткое интергемистическое ингибирование интергемэфиков (SIHI)28. Ряд исследований TMS с использованием этого подхода также показали, что M1 тесно связан адругойальной M1, брюшной премоторной коры (PMv), дорсальной премоторной коры (PMd), дополнительной двигательной области (SMA), предварительно SMA, первичной сенсорной коры (S1), дорсолатеральной префронтальной коры (DLPFC), и задней теменной коры (КПП) в состоянии покоя27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42. Интересно, что влияние стимуляции из этих корковых областей на двигательную возбудимость коры анатомически, временно и функционально специфична для текущей активности мозга во время подготовки движения (состояние- и контекст-зависимых43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69). Тем не менее, очень немногие исследования с использованием двойного сайта TMS характеризуют модели функциональной кортико-корковой связи с двигательными и когнитивными нарушениями у пациентов с нарушениями мозга70,71,72. Это дает возможность разработать новые методы оценки и лечения двигательных и когнитивных расстройств.

Используя этот метод, было также установлено, что повторяющиеся пары корковых TMS применяется к корковых областях, связанных с M1, таких как контрлатеральные M168,69,70, PMv76,77,78, SMA71, и КПП80,81,82 может вызвать изменения в синаптической эффективности в конкретных нейронных путей на основе принципа Хеббияна ассоциированной83 ,84,85,86 и повысить поведенческую производительность72,73,74. Тем не менее, несколько исследований использовали этот подход для изучения цепи и пластичности дисфункции в неврологических расстройств2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96. Это еще предстоит показать, является ли укрепление функционально специфических нервных путей с TMS может восстановить активность в дисфункциональных схем, или же предполагаемое укрепление нетронутыми схемы может увеличить устойчивость97 в мозговых сетях поддержки двигательных и когнитивных функций на протяжении всей жизни и в болезни. Отсутствие фундаментального понимания нервных механизмов, лежащих в основе неврологических расстройств и последствий стимуляции на взаимосвязанные дисфункциональные сети мозга, ограничивает текущее лечение.

Несмотря на свои возможности, TMS до сих пор не стала стандартной частью вооружения неврологии и клинических инструментов для понимания отношений мозга и поведения, патофизиологии расстройств головного мозга, и эффективность лечения. Поэтому для реализации своего потенциала и поддержки его крупномасштабного применения важно стандартизацию методов TMS, поскольку это, скорее всего, повысит строгость будущих экспериментов TMS и воспроизводимость в независимых лабораториях. В этой статье описывается, как TMS может быть использован как для измерения, так и для манипулирования функциональными взаимодействиями. Здесь мы описываем эту технику в моторной системе (например, parieto-motor pathway44) путем измерения показателей вывода на основе TMS (например, MEPs), где метод лучше всего понимается. Тем не менее, важно отметить, что этот протокол также может быть адаптирован к целевой функциональной связи других подкорковых85, мозжечковой86,87, и корковых областях. 73,74,88 Кроме того, нейровизуализации методы, такие как ЭЭГ89,90,91 и МРТ92,93 могут быть использованы для оценки TMS-индуцированных изменений в деятельности и подключения26,94. В заключение мы предлагаем, что изучение функционального участия корковой связи на уровне цепи с этими методами TMS как в области здоровья, так и при заболеваниях позволяет разрабатывать целевые диагнозы и инновационные методы лечения на основе более сложных сетевых моделей отношений между мозгом и поведением.

Protocol

Ниже описаны следующие три метода TMS. Во-первых, описаны два метода измерения кортико-кортической связи с помощью двухместных транскраниальной магнитной стимуляции (dsTMS), в то время как участники находятся либо в 1) в состоянии отдыха (состояние отдыха), либо 2) выполняя движение, направленное на объект, охват к захвату ( задачи зависит). Во-вторых, метод корковой парной ассоциативной стимуляции (cPAS) описывается для модулирования взаимодействия между двумя областями мозга контролируемым образом путем сопряжения корковых стимулов (например, задней теменной и первичной моторной кортики) для укрепления функциональных кортиков специфические нервные пути с TMS и вызывают изменения в возбудимости коры. Для каждого метода предоставляется репрезентативный набор данных. Все методы, описанные в этом протоколе, были одобрены Советом по институциональному обзору Мичиганского университета в соответствии с Хельсинкской декларацией.

1. Набор участников

  1. Экран всех участников для любых противопоказаний к TMS95,96,97,98,99,100 и магнитно-резонансной томографии (МРТ) до набора. Набирать правши101 для экспериментов по изучению функциональной связи в моторной системе.
  2. Проинформировать каждого участника о целях, процедурах и рисках исследования, утвержденных местным институциональным наблюдательным советом. Получить письменное согласие, прежде чем позволить человеку принять участие в исследовании.

2. Электромиография (ЭМГ) Электрод Размещение

  1. Поручить участнику удобно сидеть в экспериментальном кресле с обеими руками, поддерживаемыми в расслабленном положении. Обеспечить подбородок отдых для участников во время TMS, чтобы сохранить движение головы до минимума во время стимуляции.
  2. Очистите кожу над мышцей интереса с мягким абразивным. Используя расположение электрода живота-тендона, поместите один одноразовый электрод Ag-AgCl на мышцу живота, а другой на костлявую достопримечательность поблизости для справочного участка на обеих руках участника. Повторите этот шаг для каждой мышцы интереса.
  3. Соедините молотый электрод к локтявому стилоидном процессу. Важно проверять уровень поверхностного контакта электродов с кожей на протяжении всего эксперимента, так как это исключает качество impedance сигнала ЭМГ. Размещение ленты над поверхностным электродом может повысить степень контакта с поверхностью кожи.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для достижения к захвату действия общих мышц изучены 1) первый спинной интеросе (ПИИ), 2) похититель pollicis бревис (APB), и 3) похититель digiti minimi (ADM) мышцы руки.
  4. Соедините поверхностные электроды с усилителем ЭМГ и системой сбора данных. Запись и хранение сигналов ЭМГ от усилителя до компьютера для сбора данных с помощью программного обеспечения EMG для онлайн-мониторинга и офлайн-анализа сигнала ЭМГ. Дополнительно усиливаем сигнал ЭмГ 1000x и используйте фильтр диапазона между 2 Гц и 2,5 кГц, оцифрованный на 5 кГц с помощью аналогового цифрового интерфейса.

3. Локализация областей мозга для целевых TMS

  1. Метод 1: Локализация без МРТ
    1. Используя 10-20 ЭЭГ системы марки C3, расположенный примерно над левой первичной моторной коры (M1), и P3, расположенный примерно над частью угловой извилины в левой задней теменной коры (КПП), на коже головы участника. Ссылайтесь на методы, описанные ранее102 для конкретных шагов по локализации областей мозга с системой ЭЭГ 10–20 (см. рисунки 3 и 4 от Villamar et al.102).
    2. Кроме того, электроэнцефалография (ЭЭГ) головной колпачок может быть использован для приближения области мозга на коже головы. Поместите соответствующий размер ЭЭГ крышка на голову участника и выровнять положение Cz на крышку с отмеченным положением Cz на кожу головы участника. Марк C3 и P3 с помощью крышки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Локализация без МРТ человека имеет потенциал, чтобы быть неточным103. Поэтому нейронавигация на основе МРТ настоятельно рекомендуется для повышения точности и надежности таргетинга на TMS. Это потенциально может привести к меньшей изменчивости в TMS-индуцированных последствий.
  2. Метод 2: Использование МРТ
    1. Перед сеансом TMS получите структурную МРТ участника (Т1). Загрузите сканирование в нейронавигационную систему.
    2. Создайте трехмерную реконструкцию наложения мозга и кожи с помощью программного обеспечения нейронавигации. Поместите маркеры на анатомические ориентиры на кончике носа, nasion, инион, ипредть, и preauricular выемки обоих ушей. Не используйте tragus, как он может сдвиг, когда затычки для ушей вставлены.
    3. Найдите ручную ручку, анатомическую достопримечательность, которая соответствует M1104,в левой предцентральной извилине. Поместите маркер траектории в этой точке с нейронавигационной системой. Эта точка должна быть выровнена 45 "от линии midsagittal и примерно перпендикулярно центральной слизи. Запись и название анатомической вехой с системой нейронавигации(Рисунок 1).
    4. Найдите немоторную область, представляющих интерес (например, над передней интрапиральной слизистой области в КПП). Поместите второй маркер траектории над этой анатомической вехой. Запись и название местоположения с системой нейронавигации(рисунок 1).
  3. Выполняйте регистрацию катушек и головы с помощью системы слежения
    1. Калибровайте обе катушки TMS с калибровозационным блоком отдельно с помощью нейронавигационной системы.
    2. Поместите головной трекер надежно на голову участника, так что трекер находится в поле зрения на протяжении всего эксперимента.
    3. Зарегистрируйте анатомические ориентиры на голове участника к нейронавигационной системе. Если МРТ не было получено от участника, используйте шаблон МРТ из Монреальского неврологического института.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Важно не применять слишком много силы с указателем на коже участника, чтобы избежать дискомфорта и неточностей при выполнении регистрации. Это может быть полезно, чтобы проверить регулярно в течение всего эксперимента, что головной трекер не сместился. Эти процедуры обеспечивают точность при применении катушки TMS к целевой области для стимуляции во время эксперимента.

4. Локализация Оптимальная позиция катушки TMS и определение пороговых значений

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом эксперименте, катушкаM1 относится к катушке, используемой для доставки стимуляции M1, в то время как катушка2 относится к катушке, используемой для доставки стимуляции в другую корковую область, интересуяую (например, заднюю темено-кора). Пороговое значение над M1 должно быть определено для CoilTwo для расчета максимального объема продуктора стимулятора (MSO), используемого в немоторных областях. Следует сообщать о значениях пороговых значений двигателя, с тем чтобы можно было проводить сопоставления и воспроизводимость в ходе экспериментов.

  1. Локализация и порогсирование с катушкой2
    1. Расположите центр катушки2 над целевым местоположением M1, указанным в предыдущем разделе, чтобы вызвать заднее переднее направление тока в мозге.
    2. Чтобы найти оптимальное место для активации целевой мышцы, доставьте импульсы M1 на 30% MSO машины. Обратите внимание на то, производит ли подергивание мышц ы мышцы и определить амплитуду двигателя, вызываемую потенциалом (MEP), записанным с электродами ЭМГ из мышечной активности, отображаемых системой сбора данных.
    3. Если MEP или видимого мышечного подергивания не наблюдается, продолжайте увеличивать выход стимулятора на 5% шагом. Положение, вращение, шаг и рыскание катушки TMS, возможно, потребуется настроить для оптимизации амплитуды MEP. Повторяйте это до тех пор, пока не будет наблюдаться ответ.
    4. Снижение интенсивности в шаге образом до самой низкойинтенсивности,которая производит по крайней мере 5 из 10 ответов MEP с амплитудой в размере 50 евро, в то время как участник находится в состоянии покоя97,98,105. Это определяется как порог двигателя отдыха (RMT).
    5. Убедитесь в течение порогового сеанса, что обе руки находятся в положении отдыха с обе их руки и руки, поддерживаемые подушками.
    6. Обеспечить в режиме реального времени зрительную или слуховую обратную связь мышечной активности от ЭМГ (например, на мониторе или динамике) на протяжении всего сеанса, особенно если есть чрезмерная мышечная активность (например, пожилые люди).
    7. Постоянно спрашивайте участника об уровнях комфорта.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Важно, чтобы все процедуры, описанные выше, выполнялись отдельно и повторялись для каждой катушки TMS для определения конкретных параметров, используемых в эксперименте для катушек разного размера (например, локализации оптимального положения катушки TMS и определения интенсивность стимуляции для порогового движения двигателя). Важно также, что интервал между импульсами TMS является йgt;5 s, чтобы избежать индуцирующих изменений в коры возбудимости.
  2. Локализация и порогсирование с помощью CoilM1
    1. Повторите шаги, описанные выше, чтобы найти оптимальное место стимуляции с катушкиM1.
    2. Определите самую низкую интенсивность стимулятора, необходимую для генерации MEPs в размере 1 мВ в 5 из 10 испытаний в мышце руки-мишени, когда мышца полностью расслаблена. Марк и запишите положение CoilM1 с помощью нейронавигационной системы.

5. Двойной сайт TMS (Resting State)

  1. Используйте две фигурные катушки (например, CoilM1 и CoilTwo),соединенные с двумя отдельными стимуляторами TMS (например, два Magstim 2002 единицы). Доставка тестовых стимулов (TS) над M1 с coilM1 (например, D702 фигура-8 формы катушки, внешний диаметр петли составляет 7 см) и кондиционирования стимулы (CS) в другой области интереса с coilTwo. (например, D50 Alpha B.I., за пределами диаметра каждого цикла составляет 5 см).
  2. Определите процент интенсивности MSO для стимула кондиционирования (CS) для coilTwo.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Процент интенсивности MSO часто составляет от 70 до 140 RMT и будет зависеть от конкретных параметров и целей эксперимента (см. таблицу 3 от Lafleur et al.14). Для этого эксперимента CS был установлен на уровне 90% RMT, аналогично параметрам, используемым в других местах35,44,60.
  3. Для теста стимул (TS), использовать ранее определенную интенсивность, которая вызывает MEP амплитуды 1 мВ в целевой тихих мышц руки.
  4. Установите точный интервал интерстимула (ISI) между CS и TS.
  5. Используйте поставляемое программное обеспечение управления или внешнее управление с помощью импульсов TTL для управления ISI для двух импульсов. ISI часто колеблется от 4-20 мс (см. таблицу 1 от Lafleur и др.14). Для этого эксперимента, CS к КПП предшествовал TS к M1 isI 5 мс.
  6. Используя сценарий кодирования на заказ, генерируйте в случайном порядке одноимпульсные испытания TMS (только TS) и парно-импульсные испытания TMS (CS-TS) на указанном ISI.
  7. Позиция CoilM1 над левой M1 и положение CoilTwo над другой областью интереса.
  8. Доставка TS только испытания с coilM1. Для парных импульсных испытаний (CS-TS) доставьте CS с coilTwo, за которым следует TS для CoilM1 на заранее определенных ISIs. Это иллюстрируется на рисунке 2. Повторите минимум 12 испытаний для каждого состояния. Доставка TS по крайней мере 1 s после начала судебного разбирательства для сбора предварительного стимула EMG деятельности. Используйте 4 s обработки данных развертки для каждого испытания с последующим 1 с межпотрийным интервалом.
  9. При необходимости немного отрегулируйте позиции катушки TMS, чтобы учесть размещение обеих катушек над выбранными целевыми местами на голове участника. Отрегулируйте и запишите новое местоположение CoilM1 и CoilTwo с помощью системы нейронавигации соответственно.
  10. Используйте кнопку триггера на машине TMS для поставляемого программного обеспечения управления или скрипт кодирования на заказ от внешнего контроллера для доставки запрограммированных импульсов TMS.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для этого эксперимента для создания стимулов, сбора данных, управления внешним оборудованием и запуска анализа использовались система сбора данных (например, CED Micro 1401) и пакет программного обеспечения (например, сигнальная версия 7). Сценарии кодирования на заказ, используемые для запуска и анализа данных из экспериментов, доступны у соответствующего автора.

6. Двойной сайт TMS (Контекст задач)

ПРИМЕЧАНИЕ: Двойной сайт TMS также может быть использован для проверки того, может ли функциональное подключение в состоянии быть модулировано различными контекстами задач.

  1. Следуйте тому же методу, описанному в приведенном выше разделе, чтобы изучить функциональные взаимодействия между различными корковыми областями, соединенными с M1, но на подготовительном этапе задачи, которая задействует сеть (например, во время плана действий для захвата).
  2. Определите время хода и корковой области интереса (например, КПП) для изучения функциональных взаимодействий с M1 во время подготовки сложного плана движения (например, объектно-управляемого точного захвата или цельнорукого захвата43,44,45,46,47,48,49,106) для селективных мышц рук.
  3. Использование пользовательского сценария кодирования, генерировать в случайном порядке сроки TS только испытания и парного импульса испытаний (CS-TS) на данный ISI после 'GO' кий в период реакции (план фазы), таким образом, что записи MEP собираются перед движением инициирование (период предварительного движения) для задачи.
  4. Доставка одноимпульсных TMS (TS в одиночку) или парно-пульс TMS (CS-TS) зонды между 50 и 800 мс после 'GO' кий47,49 во время плана действий сложных движений рук. См Рисунок 3 для времени проведения исследования, связанного с событиями, для этого эксперимента. Сценарии кодирования на заказ, используемые для выполнения сроков испытаний, связанных с событиями, доступны у соответствующего автора.
    1. Перед сеансом тестирования с TMS, попросите участника выполнить задачу как минимум 50 практических испытаний, чтобы установить последовательное время реакции. Поощряйте участника задавать вопросы о задаче, чтобы обеспечить надежную производительность во время сеанса тестирования с Помощью TMS.
    2. Используйте индивидуальный сценарий кодирования для доставки всех комбинаций одноимпульсного TMS (только TS) или парного импульса TMS (CS-TS) и задачи (например, хватать меньшую вершину или хватать больший нижний объект) во время периода реакции (план фазы), так что записи MEP собраны до фактического начала движения.

7. Кортикальная парная ассоциативная стимуляция (cPAS)

ПРИМЕЧАНИЕ: Этот протокол включает в себя доставку пар монофазаческих импульсов в двух различных корковых областях в течение коротких периодов, чтобы вызвать пути конкретных изменений в синаптической силы между соединениями в человеческом мозге. Этот подход основан на принципах гебби йога времени шипа зависимой пластичности107,108,109,110. Подобно методам TMS с двойным участком, cPAS поставляется с двумя tMS-машинами, соединенными с двумя отдельными катушкими TMS в двух различных корковых областях (например, КПП и M1).

  1. Используя индивидуальный сценарий кодирования, создайте 100 пар стимулов при 0,2 Гц (8,3 мин продолжительность каждая). Для экспериментального состояния cPASTwo'M1, доставить первые стимулы над немоторной области (например, КПП) с катушкидва с указанной интенсивности импульса (например, 90% RMT) в течение 5 мс до второго стимула над M1 с CoilM1 с интенсивностью импульса, что вызывает амплитуду MEP в 1 мВ в целевой мышце руки.
  2. Важно контролировать для: 1) направленность подключения (CTRLM1)Два); 2) сроки (CTRLISI-500ms); и 3) сайт стимуляции (сайт CTRL Control-M1) в отдельных сеансах. Дляпримеров см. 72,74,111,112. Сценарии кодирования на заказ для каждого состояния cPAS доступны у соответствующего автора. Параметры стимуляции (например, интенсивность и ISI) могут быть скорректированы для различных корковых областей. Обратитесь к таблице 2 от Lafleur et al.14 для краткого изложения протоколов пластичности.
  3. Используйте процедуры, описанные в предыдущих разделах, чтобы обусмотреть точное местоположение катушек TMS.
  4. Получить базовые кортикоспинальные измерения с coilM1 (например, 24 ЕВРО).
  5. Рандомизация участников в одну из четырех групп вмешательства: 1) cPAS Два'M1; 2) CTRLM1'Two; 3) CTRLISI-500ms; 4) CTRL Контрольный сайт-M1.
  6. Для этого эксперимента было протестировано только экспериментальное состояние cPAS Two'M1, и КПП использовался в качестве интересуемой области. При выполнении нескольких сеансов на одном и том же участнике, важно, чтобы каждая экспериментальная сессия отделялась по крайней мере 48 ч в рандомизированном порядке, чтобы предотвратить эффекты кроссовера. Также важно повторить сеансы внутри каждого участника в одно и то же время суток, чтобы контролировать бдительность.
  7. Используйте сценарий кодирования на заказ для доставки указанного состояния cPAS.
  8. Мониторинг мышечной активности другой (левой) руки во время эксперимента с ЭМГ, чтобы убедиться, что рука полностью расслаблена во время протокола.
  9. Получить кортикоспинальные измерения с coilM1 (например, около 24 MEPs) в разное время после cPAS (например, 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 мин) для изучения времени хода TMS-индуцированного влияния на возбудимость мозга.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Экспериментальный протокол, используемый здесь, показан на рисунке 4. Большинство исследований на сегодняшний день были сосредоточены на двигательной системе, потому что MEP является надежным показателем результатов. Тем не менее, поведенческие меры72,73,74 и функциональной прочности подключения с МРТ92,93 и ЭЭГ89,90 после TMS манипуляции ассоциативной пластичности также могут быть исследованы. Эти методы также могут быть приняты для различных корковых областей, которые не включают M1 в качестве корковой цели.

8. Обработка и анализ данных

  1. Визуально проверить данные EMG в автономном режиме и отказаться от любых следов, показывающих мышечную активность, в которой корень средней активности ЭМГ в мышцах превысил фоновый уровень 10 МС в течение 100 мс непосредственно перед импульсом TMS, чтобы обеспечить мышцы были в состоянии покоя59,113.
  2. Аналогичным образом, откажитесь от любых испытаний с активностью ЭМГ, которые совпадают с импульсом TMS в период подготовки движения (например, 800 мс окно47,49) в двухместных tMS-задачах, чтобы исключить упреждающие ответы.
  3. Для каждого испытания MEP измерьте пиковую амплитуду между минимальными и максимальными значениями в м.В. в временном окне между 50 мс до и 100 мс после TS105.
  4. Рассчитайте среднее количество амплитуд MEP в милливольтах из одних испытаний ТС и парных импульсов (CS-TS) для каждого участника. Рассчитать среднее количество всех участников. Сообщите об этих значениях.
  5. Затем нормализовать среднее амплитуда MEP из парно-импульсных исследований (CS-TS) из некондиированных одноимпульсных (TS только) испытаний для каждого участника и состояния. Экспресс амплитуды MEP как отношение к базовому состоянию ТС.

Equation 1

  1. Рассчитать среднее количество всех участников. Сообщите об этих значениях.

Representative Results

На рисунке 5 показан размер примерного ответа MEP, вызванного в мышце ПИИ TMS для некондиционированных тестовых стимулов (TS только для M1, синий след) или условных стимулов от КПП (CS-TS, красный след), в то время как участник был в состоянии покоя (верхняя панель) или планирования целенаправленного захвата действий к объекту (нижняя панель). В остальном КПП оказывает ингибирующее воздействие на ипсилатеральный M1, о чем свидетельствует снижение амплитуд MeP, потенцирующее подпороговым CS, поставляемым по КПП 5 мс перед надувным TS над M1 (верхняя панель). Во время подготовки захвата действий, этот чистый ингибаториторный привод в покое от КПП переключился на облегчение (освобождение ингибирования). Для непосредственного сравнения взаимодействий КПП-М1 во время отдыха по сравнению с требованиями задач, амплитуды MEP были нормализованы только для испытаний TS для каждого состояния и построены как соотношение для амплитуды MEP. Взаимодействие КПП-М1 облегчалось с отдыха при планировании объектно-направленной хватки (фиолетовые полосы).

Верхняя панель на рисунке 6 показывает изменения в амплитудах MEP во время администрирования протокола cPAS. Amplitudes MEP индуцированные парной стимуляцией КПП и M1 постепенно увеличивались с течением времени во время протокола стимуляции, предлагая пластические эффекты на уровне parieto-моторного соединения, M1 кортикоспинальных нейронов, или обоих. Нижняя панель рисунка 6 показывает изменения в амплитудах MEP, вызванных в мышце ПИИ по одноимпульсным TMS над M1 до и после протокола cPAS. Размер амплитуды MEP увеличился на 10 минут после протокола cPAS, предполагая, что двигатель возбудимость последствия были вызваны после введения повторяющихся пар корковых стимулов над КПП и M1.

Figure 1
Рисунок 1: Трехмерная реконструкция анатомической МРТ типичного участника с выраженными коркологическими участками над первичной моторной корой (M1, синий символ) и задней теменной корой (КПП, красный символ) в левом полушарии. Программное обеспечение Neuronavigation для TMS было использовано для целевой индивидуально определенных корковых областей с каждой фигурой-8 TMS катушки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 2
Рисунок 2: Схематическое представление двойной участка, парной-импульсной транскраниальной магнитной стимуляции с двумя катушками (dsTMS), используемыми для зондирования функциональных взаимодействий между задней теменной корой (КПП) и первичной моторной корой (M1) в состоянии покоя (состояние отдыха). CS был применен к КПП для изучения его влияния на последующее надпорог ТС на M1. Любое изменение амплитуды реакции правой мышцы на TMS измеряется ЭМГ. Для этого эксперимента интенсивность CS составляла 90% RMT. Интенсивность ТС была скорректирована, чтобы вызвать MEP от 1 мВ пик-пик в расслабленной ПИИ и ADM. ISI между импульсами было 5 ms. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 3
Рисунок 3: подход dsTMS, используемый для зондирования функциональных взаимодействий между КПП и M1 во время движения охвата к захвату (контекст задачи). Освещение светодиода поручило участнику спланировать одно из двух возможных действий правой руки на целевом объекте: 1) захватить меньший верхний цилиндр или 2) захватить больший нижний цилиндр. Только TS или CS-TS на указанном ISI (например, 5 мс) было доставлено 300 мс после кий 'GO' (например, светодиодное начало) в период реакции (план фазы), так что записи MEP были собраны до фактического начала движения (пунктирная черная линия). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 4
Рисунок 4: Схема корковой парной ассоциативной стимуляции протокола (cPAS), используемого для укрепления функционально специфических нервных путей. Первый стимул был применен в области интереса с катушкидва (например, КПП, красная катушка) 5 мс до второго стимула был доставлен в M1 (голубая катушка) с катушкиM1. Пары корковых стимулов были доставлены с частотой 0,2 Гц (раз в пять с) и повторены в течение 100 испытаний (8,3 мин). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 5
Рисунок 5: Образцовые следы MEP для некондициированного теста стимула (TS только, синий след) или условный стимул (CS-TS, красный след) для состояния покоя (верхняя панель) и контекст-зависимых (нижняя панель) состояние. Графики баров показывают амплитуды MEP из протокола dsTMS, пока участник находится в состоянии покоя или выполняет задание захвата (действия). Когда участник был в состоянии покоя (верхняя панель), CS-TS (красная планка) уменьшила среднее амплитуда mePs (ингибирование) по сравнению с некондицией TS в одиночку (синий бар). В отличие от этого, когда участник планировал задачу «достичь захвата» (нижняя панель), средняя амплитуда MEP увеличивалась (упрощение) для испытаний CS-TS (красная планка) по сравнению с испытаниями только TS (синий бар). Для непосредственного сравнения взаимодействия КПП-М1 для отдыха и состояния действия, средняя амплитуда MEP, вызванная парной импульсной стимуляцией (CS-TS), была нормализована путем расчета соотношения амплитуды относительно средней некондициированной амплитуды MEP (только TS). Фиолетовые полоски представляют собой нормализованную амплитуду MEP для каждого состояния. Y 1 указывает на отсутствие влияния CS на возбудимость M1 (пунктирная черная линия), в то время как коэффициенты выше 1 указывают на повышенную возбудимость M1 и коэффициенты ниже 1 указывают на снижение возбудимости M1 из-за условных стимулов (CS-TS). Бары ошибок представляют SEM. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 6
Рисунок 6: Депутаты Европарламента во время cPAS. Верхняя панель показывает, что амплитуды МП увеличились во время введения cPAS. Нижняя панель показывает влияние протокола cPAS на амплитуду MEP. После вмешательства CPAS (красный бар) возбудимость кортикоспинальной увеличилась после 10 мин (темно-серый бар) по сравнению с базовым (светло-серый бар), как оценивается MEPs в quiescent мышцы рук. Красная планка представляет собой парное стимуляционное вмешательство, cPAS (100 пар при 0,2 Гц, 8,3 мин). Это говорит о том, что модулирование парьето-моторных взаимодействий с cPAS может вызвать переходные изменения в пластичности двигателя. Бары ошибок представляют SEM. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Discussion

Описанный здесь метод TMS с двойным участком может быть использован для изучения функциональных взаимодействий между различными корными областями, взаимосвязанными с первичной моторной корой, в то время как участник находится в состоянии покоя или планирует целенаправленное действие. В то время как визуализация мозга является корреляционной, базовые знания из методов TMS с двойным участком могут выявить причинно-следственные связи между мозгом и поведением, связанные с изменениями в кортико-кортических схемах. Кроме того, корковая парная ассоциативная стимуляция с двумя катушкиt TMS применяется в районах, соединенных с M1 могут быть использованы для укрепления функционально специфической связи для управления движением и повышения эффективности индуцирования пластичности. Взятые вместе, эти методы показывают, что эти протоколы TMS могут как измерять, так и манипулировать нейронной активности, лежащей в основе информационного потока между областями мозга в анатомических,задачи, и зависит от времени образом в двигательной системе. Это дает возможность проверить различные гипотезы, связанные с причинно-следственной связью корковых зон для двигательной функции.

В этом свете, подход также может обеспечить важную основу для понимания подключения к сети на уровне систем в неврологических и психиатрических пациентов с аналогичной симптоматой и позволяют его использование в качестве инструмента для диагностики и лечения дисфункции цепи. Поэтому, важно для больше изучений для того чтобы исследовать другие корковые зоны вне моторной системы для того чтобы испытать свою общность через сети мозга как в здоровых и заболетом мозг. Это важный фактор, учитывая, что нельзя предположить, что ответ на TMS в одной области мозга будет производить тот же физиологический эффект при применении к другой области. Это также выгодно, что эти процедуры могут быть распространены на более сложные движения, и другие области за пределами движения, такие как познание, восприятие, и настроение. Действительно, несколько исследований с использованием двойного сайта TMS и cPAS начали изучать эффекты и целесообразность исследования в зрительных и когнитивных систем73,74,88. Важно отметить, что это даст возможность развить более сложное понимание нейронных основ, связывающих активность мозга с двигательной, когнитивной и аффективной функцией. В результате, очень важно, чтобы твердые механические знания о динамике нейронного цикла в популяциях пациентов исследуются, прежде чем определить полезность применения этих протоколов в будущих клинических условиях.

Хотя все больше доказательств свидетельствует о том, что TMS является новым подходом, способным характеризовать синаптической дисфункции и пластичности в неврологических и психических расстройств, таких как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, и инсульт, клиническая полезность этих оценки должны быть установлены в более широких масштабах. Кроме того, на сегодняшний день все работы в популяциях пациентов были сосредоточены только на функциональных схемах, в то время как участники находятся в состоянии покоя. Очень важно, чтобы будущие исследования с двойным сайтом TMS рассмотреть состояние и задачи зависимых эффектов, особенно когда пациент оспаривается, чтобы заполнить пробелы в знаниях в понимании того, как измененная динамика мозга способствовать конкретным двигательных, когнитивных и аффективных Дисфункции. Важно отметить, что эта настройка позволяет беспрецедентные возможности для всестороннего изучения функциональных схем мозга и пластичности неинвазивно как записи и манипулирования нейронной активности. Это может в конечном итоге быть переведены на новые клинические методы лечения нарушений мозга.

В ожидании этих клинических достижений важнейшим первым шагом является повышение строгости и воспроизводимости экспериментов TMS в независимых лабораториях путем предоставления четко определенных методологических процедур, которые легко развертываются и поддаются обмену. Следующие руководящие принципы для процедур TMS, описанные выше, могут помочь стандартизировать дизайн, внедрение и убедительность выводов. Во-первых, такие параметры стимуляции, как интенсивность, продолжительность, ISI, время, положение катушки и анатомические места должны быть тщательно документированы и повторены в одном контексте задачи в нескольких независимых лабораториях для поощрения крупномасштабных испытаний и применения. Во-вторых, цели мозга должны быть точно определены на основе четких анатомических и функциональных критериев, которые захватывают активность мозга в мозге цепей, связанных с поведением. В-третьих, нейронавигация должна быть использована для руководства размещения катушки TMS при ориентации сказал мозг цепей. Также рекомендуется, чтобы эксперименты были ориентированы на гипотезы и использовали как контрольную задачу, чтобы обеспечить селективное отношение изменений к контексту задачи, так и контрольного участка мозга за пределами целевой сети, чтобы исключить неспецифический эффект стимуляции. В-четвертых, чтобы лучше информировать диагностическую точность и терапевтическую эффективность этих методов в будущих клинических условиях, фундаментальные исследования должны использовать мультимодальный подход, сочетающий tMS меры и манипуляции с нейровизуализации и поведенческие меры, чтобы лучше охарактеризовать основные патологические изменения и эффект лечения. В-пятых, необходимо сообщать о вариативности отдельных ответов с использованием методов TMS с двойным сайтом, поскольку она может предоставить важную информацию о том, как можно оптимизировать мероприятия для различных областей мозга, что приводит к новым методам лечения, основанным на индивидуальных патофизиологических механизмах. Наконец, исследователи должны быть транспарентными при представлении данных, включая отрицательные результаты42 и сделать данные общедоступными для интерпретации, чтобы увеличить размеры выборки и содействовать более эффективной науке. Этот комплексный подход повысит строгость и воспроизводимость как в сборе, так и в анализе данных, которые могут направлять будущие фундаментальные неврологии и клинические исследования. В конечном счете, это позволит улучшить экспериментальный дизайн и оптимизировать целевые методы лечения, тем самым снижая заболеваемость и нарушения в неврологических и психических расстройств.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Эта работа была поддержана Мичиганским университетом: MCubed ученых программы и школы кинезиологии.

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).
Измерение и манипулирование функционально специфическими нейронными путями в моторной системе человека с транскраниальной магнитной стимуляцией
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