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Neuroscience

Medición y manipulación de vías neuronales funcionalmente específicas en el sistema motor humano con estimulación magnética transcraneal

doi: 10.3791/60706 Published: February 23, 2020

Summary

Este artículo describe nuevos enfoques para medir y fortalecer las vías neuronales funcionalmente específicas con estimulación magnética transcraneal. Estas metodologías avanzadas de estimulación cerebral no invasiva pueden proporcionar nuevas oportunidades para la comprensión de las relaciones cerebro-comportamiento y el desarrollo de nuevas terapias para tratar los trastornos cerebrales.

Abstract

Comprender las interacciones entre las áreas cerebrales es importante para el estudio del comportamiento dirigido a objetivos. La neuroimagen funcional de la conectividad cerebral ha proporcionado información importante sobre los procesos fundamentales del cerebro como la cognición, el aprendizaje y el control motor. Sin embargo, este enfoque no puede proporcionar evidencia causal para la participación de áreas cerebrales de interés. La estimulación magnética transcraneal (TMS) es una poderosa herramienta no invasiva para estudiar el cerebro humano que puede superar esta limitación modificando transitoriamente la actividad cerebral. Aquí, destacamos los avances recientes utilizando un método TMS de pulso doble de pulso emparejado con dos bobinas que sondas causalmente interacciones corticocorticales en el sistema motor humano durante diferentes contextos de tareas. Además, describimos un protocolo TMS de doble sitio basado en la estimulación asociativa corical emparejada (CPAS) que mejora transitoriamente la eficiencia sináptica en dos áreas cerebrales interconectadas mediante la aplicación de pares repetidos de estímulos corticales con dos bobinas. Estos métodos pueden proporcionar una mejor comprensión de los mecanismos subyacentes a la función cognitivo-motora, así como una nueva perspectiva sobre la manipulación de vías neuronales específicas de una manera dirigida para modular los circuitos cerebrales y mejorar el comportamiento. Este enfoque puede resultar ser una herramienta eficaz para desarrollar modelos más sofisticados de relaciones cerebro-comportamiento y mejorar el diagnóstico y el tratamiento de muchos trastornos neurológicos y psiquiátricos.

Introduction

La estimulación cerebral no invasiva es una herramienta de evaluación prometedora y tratamiento para muchos trastornos neurológicos, como la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer y el accidente cerebrovascular1,2,3,4. Existe evidencia acumulada que establece la relación entre las manifestaciones conductuales de las enfermedades neurológicas y las anomalías de excitabilidad cortical, neuroplasticidad, conectividad corticocortical y cortico-subcortical5,6. Por lo tanto, los conocimientos básicos sobre la dinámica de la red cerebral y la plasticidad en condiciones neurológicas pueden proporcionar una visión invaluable del diagnóstico de la enfermedad, la progresión y la respuesta a la terapia. La resonancia magnética funcional(fMRI) es una herramienta útil para entender las complejas relaciones entre el cerebro y el comportamiento tanto en redes cerebrales sanas como enfermas y tiene el potencial de mejorar el tratamiento basado en una perspectiva de red7,8,9. Sin embargo, fLA RMN es de naturaleza corética y no puede proporcionar una relación causal entre la función cerebral y el comportamiento, ni manipular la conectividad funcional para restaurar los circuitos neuronales anormales asociados con deficiencias conductuales en pacientes10,11,12. La estimulación magnética transcraneal (TMS) puede medir y modular causalmente la función y el comportamiento del cerebro humano en salud y enfermedad3,13,14,15.

TMS es un método seguro y no invasivo para estimular el cerebro humano16,17y se puede utilizar para inducir y medir la plasticidad18. Este método puede avanzar en nuestra comprensión de las relaciones causales entre las áreas cerebrales individuales y el comportamiento10,11,12,19y sus interacciones funcionales específicas con otros nodos de una red cerebral20,21,22,23. Hasta la fecha, la mayoría de los estudios se han centrado en el sistema motor humano, dado que tmS a la zona de la mano de la corteza motora (M1) puede producir potenciales evocados motor (MEP) como lecturas fisiológicas para los cambios asociados con el comportamiento motor24, permitiendo el examen de diferentes circuitos inhibitorios y excitatorios a nivel del sistema en el cerebro humano25. Los avances recientes utilizando un enfoque TMS de prueba de acondicionamiento con dos bobinas muestran que es posible medir las interacciones funcionales entre diferentes áreas corticales. En el sistema motor, los experimentos TMS de doble sitio muestran que las entradas de áreas corticales interconectadas con M1 pueden cambiar con las demandas de tareas, la edad o la enfermedad14,26. El trabajo seminal de Ferbert y sus colegas ha descubierto que la aplicación de un estímulo de acondicionamiento a M1 antes de un estímulo de prueba del otro M1 puede dar lugar a la inhibición de la amplitud del MEP, un fenómeno conocido como inhibición interhemisférica de intervalo corto (SIHI)28. Varios estudios de TMS que utilizan este enfoque también han demostrado que M1 está fuertemente interconectado con la M1 contralateral, la corteza prerrenal ventral (PMv), la corteza premotora dorsal (PMd), el área motora suplementaria (SMA), la pre-SMA, la corteza sensorial primaria (S1), corteza prefrontal dorsolateral (DLPFC) y corteza parietal posterior (PPC) en reposo27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42. Curiosamente, el efecto de la estimulación de estas áreas corticales en la excitabilidad cortical motora es anatómica, temporal y funcionalmente específico de la actividad cerebral en curso durante la preparación de un movimiento (dependiente del estado y del contexto43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69). Sin embargo, muy pocos estudios con TMS de doble sitio han caracterizado patrones de conectividad corticocortical funcional con deficiencias motoras y cognitivas en pacientes con trastornos cerebrales70,71,72. Esto ofrece oportunidades para desarrollar nuevos métodos para evaluar y tratar trastornos motores y cognitivos.

Utilizando esta técnica, también se ha encontrado que los pares repetidos de TMS cortical aplicados a áreas corticales interconectadas con M1 como contralateral M168,69,70, PMv76,77,78, SMA71, y PPC80,81,82 pueden inducir cambios en la eficiencia sináptica en vías neuronales específicas basadas en el principio hebbiana de plástico asociativo83 ,84,85,86 y mejorar el rendimiento conductual72,73,74. Aún así, pocos estudios han utilizado este enfoque para estudiar el circuito y la disfunción plasticidad en trastornos neurológicos2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96. Queda por demostrar si el fortalecimiento de vías neuronales funcionalmente específicas con TMS puede restaurar la actividad en circuitos disfuncionales, o si el fortalecimiento prospectivo del circuito intacto puede aumentar la resiliencia97 en redes cerebrales que apoyan la función motora y cognitiva a lo largo de la vida útil y en la enfermedad. La falta de comprensión fundamental de los mecanismos neuronales subyacentes a los trastornos neurológicos y los efectos de la estimulación en las redes cerebrales disfuncionales interconectadas limita el tratamiento actual.

A pesar de su capacidad, TMS todavía no se ha convertido en una parte estándar del armamento de la neurociencia y herramientas clínicas para entender las relaciones cerebro-comportamiento, la fisiopatología de los trastornos cerebrales y la eficacia del tratamiento. Por lo tanto, para realizar su potencial y apoyar su aplicación a gran escala, estandarizar los métodos TMS es importante porque es más probable aumentar el rigor de futuros experimentos TMS y reproducibilidad en laboratorios independientes. Este artículo describe cómo TMS se puede utilizar para medir y manipular las interacciones funcionales. Aquí, describimos esta técnica en el sistema motor (por ejemplo, la vía parietomotor44)midiendo las medidas de salida basadas en TMS (por ejemplo, los eurodiputados), donde el método se entiende mejor. Sin embargo, es importante señalar que este protocolo también se puede adaptar al acoplamiento funcional objetivo de otras áreas subcorticales85,cerebelosas86,87y corticales. 73,74,88 Además, técnicas de neuroimagen como EEG89,90,91 y fMRI92,93 se pueden utilizar para evaluar los cambios inducidos por TMS en la actividad y la conectividad26,94. Concluimos proponiendo que el estudio de la implicación funcional de la conectividad cortical a nivel de circuito con estos métodos TMS tanto en salud como en enfermedad permita desarrollar diagnósticos específicos y terapias innovadoras basadas en modelos de red más sofisticados de relaciones cerebro-comportamiento.

Protocol

Los tres métodos siguientes TMS se describen abajo. En primer lugar, se describen dos métodos para medir la conectividad corticocortical mediante la estimulación magnética transcraneal de doble sitio (dsTMS) mientras que los participantes están 1) en reposo (estado de reposo) o 2) realizando un movimiento de alcance a agarre dirigido por objetos ( dependiente de la tarea). En segundo lugar, se describe un método de estimulación asociativa corética (CPAS) emparejada cortical para modular la interacción entre dos áreas cerebrales de manera controlada mediante el emparejamiento de estímulos corticales (por ejemplo, córticos motor esconciales posteriores y primarios) para fortalecer los córticos motor escológicos posteriores) para fortalecer los córticos motores primarios y del parietal posterior) para fortalecer los córticos motores primarios y del parietal posterior) para fortalecer los córticos motores primarios y del parietal posterior) para fortalecer los córticos motores primarios y del parietal posterior) para fortalecer los córticos motores primarios y del parietal posterior) para fortalecer los córticos motores primarios y del vías neuronales específicas con TMS e inducen cambios en la excitabilidad cortical. Se proporciona un conjunto de datos representativo para cada método. Todos los métodos descritos en este protocolo fueron aprobados por la Junta de Revisión Institucional de la Universidad de Michigan de conformidad con la Declaración de Helsinki.

1. Reclutamiento de participantes

  1. Pantalla de todos los participantes para cualquier contraindicación a TMS95,96,97,98,99,100 y resonancia magnética (RM) antes del reclutamiento. Reclutar participantes diestros101 para experimentos que investigan la conectividad funcional en el sistema de motor.
  2. Informar a cada participante sobre los objetivos, procedimientos y riesgos del estudio aprobados por la junta local de revisión institucional. Obtener consentimiento por escrito antes de permitir que la persona participe en el estudio.

2. Colocación de electrodos de electromiografía (EMG)

  1. Instruya al participante a sentarse cómodamente en la silla experimental con ambos brazos apoyados en una posición relajada. Proporcionar un reposamenta para que los participantes durante EL TMS mantengan el movimiento de la cabeza al mínimo durante la estimulación.
  2. Limpie la piel sobre el músculo de interés con un abrasivo suave. Usando una disposición de electrodo sencino-tendón, coloque un electrodo desechable Ag-AgCl en el músculo del vientre y otro en un punto de referencia óseo cerca para un sitio de referencia en ambas manos del participante. Repita este paso para cada músculo de interés.
  3. Conecte un electrodo de tierra al proceso de estiloides cubitos. Es importante inspeccionar el nivel de contacto superficial de los electrodos con la piel durante toda la duración del experimento, ya que esto impide la calidad de impedancia de la señal EMG. Colocar cinta adhesiva sobre el electrodo de superficie puede mejorar el grado de contacto con la superficie de la piel.
    NOTA: Para las acciones de alcance a agarre los músculos comunes estudiados son 1) los primeros músculos interosseos onulosos dorsales (IED), 2) policilos de abductor brevis (APB), y 3) abductor digiti minimi (ADM) de la mano.
  4. Conecte los electrodos de superficie con un amplificador EMG y un sistema de adquisición de datos. Registre y almacene las señales EMG desde el amplificador hasta el ordenador de recopilación de datos con el software EMG para la supervisión en línea y el análisis fuera de línea de la señal EMG. Opcionalmente, amplifique la señal EMG 1.000x y utilice un filtro de paso de banda entre 2 Hz y 2,5 kHz, digitalizado a 5 kHz mediante una interfaz de analógico a digital.

3. Localización de áreas cerebrales para TMS dirigido

  1. Método 1: Localización sin una resonancia magnética
    1. Usando la marca del sistema EEG 10–20 C3, ubicada aproximadamente sobre la corteza motora primaria izquierda (M1), y P3, ubicada aproximadamente sobre una parte del giso angular en la corteza parietal posterior izquierda (PPC), en el cuero cabelludo del participante. Consulte los métodos descritos anteriormente102 para conocer los pasos específicos para localizar las áreas cerebrales con el sistema EEG 10–20 (véanse las figuras 3 y 4 de Villamar et al.102).
    2. Alternativamente, se puede utilizar un gorro de cabeza de electroencefalografía (EEG) para aproximar las áreas cerebrales del cuero cabelludo. Coloque una tapa EEG de tamaño adecuado en la cabeza del participante y alinee la posición De Cz en la tapa con la posición Cz marcada en el cuero cabelludo del participante. Marque C3 y P3 con la tapa.
      NOTA: La localización sin la resonancia magnética de una persona tiene el potencial de ser inexacta103. Por lo tanto, la neuronavegación basada en RMN se recomienda fuertemente para aumentar la precisión y la confiabilidad de apuntar al TMS. Esto puede conducir potencialmente a menos variabilidad en las secuelas inducidas por TMS.
  2. Método 2: Uso de una resonancia magnética
    1. Antes de la sesión TMS, obtenga la RMN estructural del participante (T1). Cargue el escaneo en un sistema de neuronavegación.
    2. Crear una reconstrucción tridimensional del cerebro y la piel superposición utilizando el software de neuronavegación. Coloque marcadores en los puntos de referencia anatómicos en la punta de la nariz, la nasión, el inion y las muescas preauriculares de ambas orejas. No utilice el tragus, ya que puede cambiar cuando se insertan tapones para los oídos.
    3. Localice la perilla de la mano, el punto de referencia anatómico que corresponde a M1104,en el giso precentral izquierdo. Coloque un marcador de trayectoria en este punto con el sistema de neuronavegación. Este punto debe estar alineado 45o desde la línea midsagital y aproximadamente perpendicular al sulcus central. Registre y nombre el hito anatómico con el sistema de neuronavegación(Figura 1).
    4. Localice el área de interés no motora (por ejemplo, sobre el área anterior del sulcus intraparietal en PPC). Coloque un segundo marcador de trayectoria sobre este punto de referencia anatómico. Registre y asigne un nombre a la ubicación con el sistema de neuronavegación(Figura 1).
  3. Realizar el registro de bobinas y cabezales con el sistema de seguimiento
    1. Calibre ambas bobinas TMS con el bloque de calibración por separado utilizando el sistema de neuronavegación.
    2. Coloque el rastreador de cabeza firmemente en la cabeza del participante para que el rastreador esté a la vista durante toda la duración del experimento.
    3. Coregistre los puntos de referencia anatómicos en la cabeza del participante al sistema de neuronavegación. Si no se obtuvo una resonancia magnética del participante, utilice una resonancia magnética de plantilla del Instituto Neurológico de Montreal.
      NOTA: Es importante no aplicar demasiada fuerza con el puntero sobre la piel del participante para evitar molestias e inexactitudes al realizar el registro. Puede ser valioso comprobar regularmente durante todo el experimento que el rastreador de cabeza no ha cambiado. Estos procedimientos garantizan la precisión al aplicar la bobina TMS a un área objetivo para la estimulación durante el experimento.

4. Localización de la posición óptima de la bobina TMS y determinación de umbrales

NOTA: En este experimento, la bobinaM1 se refiere a la bobina utilizada para suministrar estimulación a M1, mientras que la bobinados se refiere a la bobina utilizada para entregar estimulación a la otra área cortical de interés (por ejemplo, corteza parietal posterior). El umbral sobre M1 debe determinarse para la bobinados para calcular la salida máxima del estimulador (MSO) utilizada en áreas no motoras. Los valores de umbral del motor deben notificarse para permitir comparaciones y reproducibilidad entre experimentos.

  1. Localización y umbral con la bobinados
    1. Coloque el centro de la bobinados sobre la ubicación M1 objetivo identificada en la sección anterior para inducir una dirección de corriente posterior-anterior en el cerebro.
    2. Para encontrar la ubicación óptima para la activación del músculo objetivo, entregue pulsos a M1 al 30% del MSO de la máquina. Observe si la estimulación suministrada produce una contracción muscular y determine la amplitud del potencial evocado motor (MEP) registrado con los electrodos EMG de la actividad muscular mostrada por el sistema de adquisición de datos.
    3. Si no se observa un MEP o una contracción muscular visible, continúe aumentando la salida del estimulador en incrementos del 5%. Es posible que sea necesario ajustar la posición, la rotación, el paso y la guiñado de la bobina TMS para optimizar la amplitud del MEP. Repita esto hasta que se observe una respuesta.
    4. Bajar la intensidad de manera escalonada a la intensidad más baja que produce al menos 5 de 10 respuestas MEP con una amplitud de 50 OV mientras el participante está en reposo97,98,105. Esto se define como el umbral del motor de reposo (RMT).
    5. Asegúrese durante la duración de la sesión de umbral que ambas manos están en una posición de reposo con ambos brazos y manos apoyados con almohadas.
    6. Proporcionar retroalimentación visual o auditiva en tiempo real de la actividad muscular de EMG (por ejemplo, en un monitor o altavoz) durante toda la sesión, especialmente si hay actividad muscular excesiva (por ejemplo, poblaciones adultas mayores).
    7. Pregunte continuamente a los participantes acerca de los niveles de comodidad.
      NOTA: Es importante que todos los procedimientos descritos anteriormente se realicen por separado y se repitan para cada bobina TMS para determinar los parámetros específicos utilizados en el experimento para las bobinas de diferentes tamaños (por ejemplo, localizar la posición óptima de la bobina TMS y determinar estimulación para el umbral motor). También es importante que el intervalo entre los pulsos TMS sea >5 s para evitar inducir cambios en la excitabilidad cortical.
  2. Localización y umbral con bobinaM1
    1. Repita los pasos descritos anteriormente para encontrar la ubicación de estimulación óptima con la bobinaM1.
    2. Determinar la intensidad de estimulación más baja necesaria para generar MEPs de 1 mV en 5 de 10 ensayos en el músculo de la mano objetivo cuando el músculo está completamente relajado. Marque y registre la posición de la bobinaM1 utilizando el sistema de neuronavegación.

5. TMS de doble sitio (Estado de reposo)

  1. Utilice dos bobinas en forma de figura 8 (por ejemplo, BobinaM1 y BobinaDos)conectadas a dos estimuladores TMS individuales (por ejemplo, dos Magstim 2002 unidades). Entregar los estímulos de prueba (TS) sobre M1 con bobinaM1 (por ejemplo, bobina en forma de figura D702-8, diámetro exterior del bucle es de 7 cm) y los estímulos de acondicionamiento (CS) a la otra área de interés con la bobinados. (por ejemplo, D50 Alpha B.I., diámetro exterior de cada bucle es de 5 cm).
  2. Determine el porcentaje de intensidad MSO para el estímulo de acondicionamiento (CS) para la bobinados.
    NOTA: El porcentaje de intensidad del MSO suele estar entre 70 y 140 de RMT y dependerá de los parámetros y objetivos específicos del experimento (véase el Cuadro 3 de Lafleur et al.14). Para este experimento, el CS se estableció en el 90% de RMT, similar a los parámetros utilizados en otroslugares 35,44,60.
  3. Para el estímulo de prueba (TS), utilice la intensidad previamente determinada que provoca amplitudes MEP de 1 mV en el músculo de la mano en reposo objetivo.
  4. Fije el intervalo de interestímulo preciso (ISI) entre el CS y el TS.
  5. Utilice el software de control suministrado o el control externo a través de pulsos TTL para controlar el ISI para los dos pulsos. El ISI a menudo oscila entre 4 y 20 ms (véase la Tabla 1 de Lafleur et al.14). Para este experimento, el CS a PPC precedió al TS a M1 por un ISI de 5 ms.
  6. Usando un script de codificación hecho a medida, genere en orden aleatorio las pruebas TMS de un solo pulso (TS solamente) y las pruebas TMS de pulso emparejado (CS-TS) en el ISI especificado.
  7. Coloque la bobinaM1 sobre el M1 izquierdo y coloque la bobinados sobre la otra área de interés.
  8. Entregue el TS solo las pruebas con la bobinaM1. Para los ensayos de pulso emparejado (CS-TS), entregue el CS con la bobinados seguido del TS a la bobinaM1 en los ISI predeterminados. Esto se ilustra en la Figura 2. Repita un mínimo de 12 ensayos para cada condición. Entregar el TS al menos 1 s después del inicio de la prueba para recoger la actividad de EMG preestímulo. Utilice un barrido de adquisición de datos de 4 s para cada prueba seguido de un intervalo intertrial de 1 s.
  9. Si es necesario, ajuste ligeramente las posiciones de la bobina TMS para acomodar la colocación de ambas bobinas sobre las ubicaciones seleccionadas en la cabeza del participante. Ajuste y registre la nueva ubicación de CoilM1 y CoilTwo usando el sistema de neuronavegación en consecuencia.
  10. Utilice el botón del gatillo en la máquina TMS para el software de control suministrado o el script de codificación hecho a medida del regulador externo para entregar los pulsos TMS programados.
    NOTA: Para este experimento, se utilizó un sistema de adquisición de datos (por ejemplo, CED Micro 1401) y un paquete de software (por ejemplo, Signal versión 7) para generar estímulos, capturar datos, controlar el equipo externo y ejecutar el análisis. Los scripts de codificación personalizados utilizados para ejecutar y analizar datos de los experimentos están disponibles en el autor correspondiente.

6. TMS de doble sitio (contexto de la tarea)

NOTA: El TMS del doble sitio también se puede utilizar para probar si la conectividad funcional en reposo puede ser modulada por diversos contextos de la tarea.

  1. Siga el mismo método descrito en la sección anterior para examinar las interacciones funcionales entre las diferentes áreas corticales interconectadas con M1, pero durante la fase preparatoria de una tarea que involucra la red (por ejemplo, durante el plan de acción para una comprensión).
  2. Determinar el curso de tiempo y un área de interés cortical (por ejemplo, PPC) para estudiar las interacciones funcionales con M1 durante la preparación de un plan de movimiento complejo (por ejemplo, agarre de precisión accionado por objetos o agarre integral43,44,45,46,47,48,49,106) para los músculos selectivos de las manos.
  3. Usando una secuencia de comandos de codificación hecha a medida, genere en orden aleatorio el tiempo de los ensayos solos de TS y los ensayos de pulso sin par (CS-TS) en un ISI dado después de la señal 'GO' durante el período de tiempo de reacción (fase de planificación) de modo que las grabaciones MEP se recopilen antes del movimiento iniciación (período de premovimiento) para la tarea.
  4. Entregue las sondas TMS de un solo pulso (TS solamente) o DEL TMS del pulso emparejado (CS-TS) entre 50 y 800 ms después de la cue47del 'GO',49 durante el plan de acción de los movimientos complejos de la mano. Consulte la figura 3 para conocer la sincronización de un ensayo relacionado con eventos para este experimento. Los scripts de codificación personalizados utilizados para ejecutar el tiempo de las pruebas relacionadas con eventos están disponibles en el autor correspondiente.
    1. Antes de la sesión de prueba con TMS, pida al participante que realice la tarea durante un mínimo de 50 ensayos de práctica para establecer un tiempo de reacción constante. Anime al participante a hacer preguntas sobre la tarea para asegurar el funcionamiento confiable durante la sesión de prueba con TMS.
    2. Utilice el script de codificación hecho a medida para entregar todas las combinaciones de TMS de un solo pulso (TS solo) o TMS de pulso emparejado (CS-TS) y la tarea (por ejemplo, agarre una parte superior más pequeña o agarre un objeto inferior más grande) durante el período de tiempo de reacción (fase de plan) de modo que las grabaciones MEP sean antes de la iniciación del movimiento real.

7. Estimulación asociativa emparejada cortical (cPAS)

NOTA: Este protocolo implica la entrega de pares de pulsos monofásicos a dos áreas corticales diferentes durante períodos cortos para inducir cambios específicos de la vía en la fuerza sináptica entre las conexiones dentro del cerebro humano. Este enfoque se basa en los principios de Hebbian de la plasticidad dependiente de la temporización de picos107,108,109,110. Similar a los métodos TMS de doble sitio, el cPAS se entrega con dos máquinas TMS conectadas a dos bobinas INDIVIDUALes TMS sobre dos diversas áreas corticales (por ejemplo, PPC y M1).

  1. Usando un script de codificación personalizado, genere 100 pares de estímulos a 0,2 Hz (8,3 minutos de duración cada uno). Para la condición experimental de cPASTwo-M1, entregue los primeros estímulos sobre el área no motora (por ejemplo, PPC) con la bobinados con una intensidad de pulso especificada (por ejemplo, 90% RMT) durante 5 ms antes del segundo estímulo sobre M1 con bobinaM1 con una intensidad de pulso que provoca una amplitud MEP de 1 mV en el músculo de la mano objetivo.
  2. Es importante controlar para: 1) la direccionalidad de la conectividad (CTRLM1-Dos); 2) temporización (CTRLISI-500ms); y 3) sitio de estimulación (sitio de control DE CTRL-M1) en sesiones separadas. Para ver ejemplos, véase72,74,111,112. Los scripts de codificación personalizados para cada condición cPAS están disponibles en el autor correspondiente. Los parámetros de estimulación (por ejemplo, intensidades e ISI) se pueden ajustar para diferentes áreas corticales. Para obtener un resumen de los protocolos de plasticidad, consulte la Tabla 2 de Lafleur etal.
  3. Utilice los procedimientos descritos en las secciones anteriores para guiar la ubicación exacta de las bobinas TMS.
  4. Obtenga mediciones corticoespinales basales con la bobinaM1 (p. ej., 24 eurodiputados).
  5. Aleatorizar a los participantes a uno de los cuatro grupos de intervención: 1) cPAS Two-M1; 2) CTRLM1-Dos; 3) CTRLISI-500ms; 4) Sitio de control de CTRL-M1.
  6. Para este experimento sólo se probó la condición experimental cPAS Two-M1 y se utilizó el PPC como área de interés. Al realizar varias sesiones en el mismo participante, es importante que cada sesión experimental esté separada por al menos 48 horas en un orden aleatorio para evitar efectos cruzados. También es importante repetir las sesiones dentro de cada participante a la misma hora del día para controlar el estado de alerta.
  7. Utilice el script de codificación personalizado para entregar la condición cPAS especificada.
  8. Supervise la actividad muscular de la otra mano (izquierda) durante el experimento con EMG para asegurarse de que la mano esté completamente relajada durante el protocolo.
  9. Obtener mediciones corticoespinales con la bobinaM1 (por ejemplo, unos 24 eurodiputados) en diferentes momentos después del cPAS (por ejemplo, 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 min) para examinar el curso de tiempo del efecto inducido por TMS sobre la excitabilidad cerebral.
    NOTA: El protocolo experimental utilizado aquí se muestra en la Figura 4. La mayoría de los estudios realizados hasta la fecha se han centrado en el sistema motor porque el MEP es una medida de resultados fiable. Sin embargo, también se pueden investigar las medidas de comportamiento72,73,74 y la fuerza de conectividad funcional con fMRI92,93 y EEG89,90 tras la manipulación TMS de la plasticidad asociativa. Estos métodos también se pueden adoptar para diferentes áreas corticales que no incluyen M1 como objetivo cortical.

8. Procesamiento y análisis de datos

  1. Inspeccione visualmente los datos de EMG fuera de línea y deseche cualquier rastro que muestre actividad muscular en la que la actividad de EMG cuadrada media de la raíz en los músculos superó un nivel de fondo de 10 OV durante los 100 ms inmediatamente antes del pulso TMS para asegurarse de que los músculos estaban en reposo59,113.
  2. Del mismo modo, descarte cualquier ensayo con la actividad EMG que coincida con el pulso TMS durante el período de preparación del movimiento (por ejemplo, 800 ms window47,49) en ensayos de contexto de tareas TMS de doble sitio para excluir las respuestas anticipatorias.
  3. Para cada ensayo MEP, mida la amplitud de pico a pico entre los valores mínimo y máximo en mV en la ventana de tiempo entre 50 ms antes y 100 ms después del TS105.
  4. Calcule la media de las amplitudes MEP en milivoltios a partir de los ensayos solos del TS y de los ensayos de pulso sin par (CS-TS) para cada participante. Calcule la media en todos los participantes. Informe de estos valores.
  5. A continuación, normalice la amplitud media de MEP de los ensayos de estimulación por pulsos emparejados (CS-TS) de los ensayos de un solo pulso sin acondicionar (solo TS) para cada participante y condición. Exprese las amplitudes MEP como una relación con la condición de TS de línea base.

Equation 1

  1. Calcule la media en todos los participantes. Informe de estos valores.

Representative Results

La Figura 5 muestra el tamaño de una respuesta ejemplar del MEP obtenida en el músculo de la IED por TMS para un estímulo de prueba no condicionado (TS solo a M1, traza azul) o estímulos acondicionados de PPC (CS-TS, traza roja) mientras el participante estaba en reposo (panel superior) o planeando una acción de agarre dirigida a objetivos a un objeto (panel inferior). En reposo, el PPC ejerce una influencia inhibitoria sobre el M1 ipsilateral, como lo demuestra la disminución de las amplitudes MEP potenciadas por un CS subumbral entregado sobre PPC 5 ms antes de un TS supraumbral sobre M1 (panel superior). Durante la preparación de una acción de agarre, esta unidad inhibitoria neta en reposo de PPC cambió a la facilitación (una liberación de inhibición). Para comparar directamente las interacciones PPC-M1 durante el descanso frente a las demandas de tareas, las amplitudes MEP se normalizaron a ensayos solos de TS para cada condición y se trazaron como una relación para la amplitud MEP. La interacción PPC-M1 se facilitó del descanso al planificar una comprenda dirigida por objetos (barras púrpuras).

El panel superior de la Figura 6 muestra los cambios en las amplitudes MEP durante la administración del protocolo cPAS. Las amplitudes MEP inducidas por la estimulación emparejada de PPC y M1 aumentaron gradualmente con el tiempo durante el protocolo de estimulación, lo que sugiere efectos plásticos a nivel de la conexión parieto-motor, neuronas corticoespinales M1, o ambos. El panel inferior de la Figura 6 muestra los cambios en las amplitudes MEP provocadas en el músculo de IED en reposo por TMS de un solo pulso sobre M1 antes y después del protocolo cPAS. El tamaño de las amplitudes meP aumentó 10 minutos después del protocolo cPAS, lo que sugiere que las secuelas de excitabilidad motora fueron inducidas después de la administración de los pares repetidos de estímulos corticales sobre PPC y M1.

Figure 1
Figura 1: Reconstrucción tridimensional de la resonancia magnética anatómica de un participante típico con sitios corticales marcados sobre la corteza motora primaria (M1, símbolo azul) y la corteza parietal posterior (PPC, símbolo rojo) en el hemisferio izquierdo. El software de neuronavegación para TMS se empleó para dirigirse a áreas corticales determinadas individualmente con cada bobina de TMS figura-8. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Representación esquemática de la estimulación magnética transcraneal de doble sitio y pulso emparejado con dos bobinas (dsTMS) utilizadas para sondear interacciones funcionales entre la corteza parietal posterior (PPC) y la corteza motora primaria (M1) en reposo (estado de reposo). Se aplicó una Estrategia de Servicio a la PPC para examinar su efecto en un TS supraumbral posterior a M1. Cualquier cambio en la amplitud de la respuesta muscular de la mano derecha a TMS se mide con EMG. Para este experimento, la intensidad de la CS fue del 90% de RMT. La intensidad del TS se ajustó para que se realizara un MEP de 1 mV de pico a pico en la IED y el ADM relajados. El ISI entre pulsos era de 5 ms. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: El enfoque dsTMS utilizado para sondear las interacciones funcionales entre PPC y M1 durante un movimiento de alcance a agarre (contexto de tarea). La iluminación de un LED instruyó al participante a planificar una de las dos posibles acciones de la mano derecha en el objeto objetivo: 1) agarrar el cilindro superior más pequeño o 2) agarrar el cilindro inferior más grande. TS solo o CS–TS en el ISI especificado (por ejemplo, 5 ms) se entregó 300 ms después de la cue 'GO' (por ejemplo, inicio LED) durante el período de tiempo de reacción (fase de planificación) de modo que las grabaciones MEP se recopilaron antes del inicio real del movimiento (línea negra punteada). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Esquema del protocolo de estimulación asociativa corical emparejado (CPAS) utilizado para fortalecer vías neuronales funcionalmente específicas. El primer estímulo se aplicó al área de interés con la bobinados (por ejemplo, PPC, bobina roja) 5 ms antes de que el segundo estímulo se entregara a M1 (bobina azul) con la bobinaM1. Los pares de estímulos corticales se entregaron a una frecuencia de 0,2 Hz (una vez cada 5 s) y se repitieron durante 100 ensayos (8,3 min). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Seguimientos ejemplares del MEP para un estímulo de prueba no condicionado (TS solo, traza azul) o estímulo condicionado (CS-TS, traza roja) para el estado de reposo (panel superior) y la condición dependiente del contexto (panel inferior). Los gráficos de barras muestran las amplitudes MEP del protocolo dsTMS mientras el participante está en reposo o realizando una tarea de agarre (acción). Cuando el participante estaba en reposo (panel superior), CS-TS (barra roja) disminuyó la amplitud media de los diputados (inhibición) en comparación con el TS no acondicionado solo (barra azul). Por el contrario, cuando el participante planeó la tarea de alcance a agarre (panel inferior), la amplitud media del MEP aumentó (facilitación) para los ensayos CS-TS (barra roja) en comparación con los ensayos TS alone (barra azul). Para comparar directamente la interacción PPC-M1 para el reposo frente a la condición de acción, la amplitud media del MEP obtenida por la estimulación por pulsos emparejados (CS–TS) se normalizó calculando la relación de la amplitud en relación con la amplitud media no condicionada del MEP (Solo TS). Las barras púrpuras representan la amplitud MEP normalizada para cada condición. Y - 1 indica que no hay efecto de CS en la excitabilidad M1 (línea negra punteada), mientras que las relaciones superiores a 1 indican un aumento de la excitabilidad M1 y las relaciones inferiores a 1 indican una disminución de la excitabilidad M1 debido a estímulos acondicionados (CS-TS). Las barras de error representan SEM. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: MeP durante el cPAS. El panel superior muestra que las amplitudes meP aumentaron durante la administración del cPAS. El panel inferior muestra el efecto del protocolo cPAS en la amplitud MEP. Después de la intervención cPAS (barra roja) la excitabilidad corticoespinal aumentó después de 10 min (barra gris oscura) en comparación con la línea de base (barra gris claro), según lo evaluado por los eurodiputados en los músculos de la mano en reposo. La barra roja representa la intervención de estimulación emparejada, cPAS (100 pares a 0,2 Hz, 8,3 min). Esto sugiere que la modulación de las interacciones parieto-motor con cPAS puede inducir cambios transitorios en la plasticidad del motor. Las barras de error representan SEM. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

El método TMS de doble sitio descrito aquí se puede emplear para investigar las interacciones funcionales entre diferentes áreas corticales interconectadas con la corteza motora primaria mientras un participante está en reposo o planeando una acción dirigida por objetivos. Si bien las imágenes cerebrales son correlativas, el conocimiento básico de los métodos TMS de doble sitio puede revelar relaciones causales cerebro-comportamiento asociados con cambios en los circuitos corticocorticales. Además, se puede emplear estimulación asociativa corical emparejada con dos bobinas TMS aplicadas en áreas interconectadas con M1 para fortalecer la conectividad funcionalmente específica para el control del movimiento y aumentar la eficiencia de inducir la plasticidad. En conjunto, estos métodos demuestran que estos protocolos TMS pueden medir y manipular el flujo de información subyacente de la actividad neuronal entre las áreas del cerebro de una manera anatómica, de la tarea, y dependiente del tiempo dentro del sistema motor. Esto ofrece oportunidades para probar diferentes hipótesis relacionadas con la contribución causal de las áreas corticales a la función motora.

En este sentido, el enfoque también puede proporcionar una base esencial para entender la conectividad de red a nivel de sistemas en pacientes neurológicos y psiquiátricos con sintomatología similar y permitir su uso como una herramienta para diagnosticar y tratar la disfunción del circuito. Por lo tanto, es importante que más estudios exploren otras áreas corticales fuera del sistema motor para probar su generalización a través de las redes cerebrales en cerebros sanos y enfermos. Este es un factor importante dado que uno no puede asumir que la respuesta a TMS en una región cerebral producirá el mismo efecto fisiológico cuando se aplica a otra región. También es ventajoso que estos procedimientos se pueden extender a movimientos más complejos, y otros dominios fuera del movimiento como la cognición, la percepción y el estado de ánimo. De hecho, varios estudios con TMS y cPAS de doble sitio han comenzado a examinar los efectos y la viabilidad del estudio en los sistemas visuales y cognitivos73,74,88. Es importante destacar que esto permitirá oportunidades para desarrollar una comprensión más sofisticada de los fundamentos neuronales que vinculan la actividad cerebral con la función motora, cognitiva y afectiva. Como resultado, es fundamental que se investigue un sólido conocimiento mecánico sobre la dinámica del circuito neuronal en las poblaciones de pacientes antes de determinar la utilidad de aplicar estos protocolos en entornos clínicos futuros.

Aunque la creciente evidencia sugiere que TMS es un enfoque novedoso capaz de caracterizar la disfunción sináptica y la plasticidad en trastornos neurológicos y psiquiátricos como la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer y el accidente cerebrovascular, la utilidad clínica de estos evaluaciones deben establecerse a mayor escala. Además, hasta la fecha todo el trabajo en poblaciones de pacientes se ha centrado únicamente en los circuitos funcionales mientras los participantes están en reposo. Es vital que los estudios futuros con TMS de doble sitio consideren los efectos dependientes del estado y la tarea, particularmente cuando el paciente es desafiado, para llenar las lagunas de conocimiento en la comprensión de cómo la dinámica cerebral alterada contribuye a específicos motores, cognitivos y afectivos Disfunciones. Es importante destacar que este ajuste permite oportunidades sin precedentes para estudiar exhaustivamente los circuitos cerebrales funcionales y la plasticidad de forma no invasiva mediante el registro y la manipulación de la actividad neuronal. Esto eventualmente puede traducirse en terapias clínicas novedosas para trastornos cerebrales.

A la espera de estos avances clínicos, un primer paso crítico es aumentar el rigor y la reproducibilidad de los experimentos de TMS en laboratorios independientes proporcionando procedimientos metodológicos bien definidos que son fácilmente desplegables y compartibles. Las siguientes pautas para los procedimientos DETm descritos anteriormente pueden ayudar a estandarizar el diseño, la implementación y la conclusividad de los hallazgos. En primer lugar, los parámetros de estimulación, como la intensidad, la duración, la ISI, el tiempo, la posición de la bobina y las ubicaciones anatómicas, deben documentarse cuidadosamente y repetirse en el mismo contexto de tarea en varios laboratorios independientes para fomentar las pruebas y la aplicación a gran escala. En segundo lugar, los objetivos cerebrales deben definirse con precisión sobre la base de criterios anatómicos y funcionales claros que capturen la actividad cerebral dentro de los circuitos cerebrales asociados con el comportamiento. En tercer lugar, la neuronavegación se debe utilizar para guiar la colocación de la bobina TMS cuando se dirige a dichos circuitos cerebrales. También se recomienda que los experimentos sean basados en hipótesis y utilicen tanto una tarea de control para asegurar que los cambios se relacionen selectivamente con el contexto de la tarea y un sitio cerebral de control fuera de la red dirigida putativa para descartar el efecto inespecífico de la estimulación. En cuarto lugar, para informar mejor la precisión diagnóstica y la eficacia terapéutica de estos métodos en entornos clínicos futuros, la investigación básica tendrá que utilizar un enfoque multimodal que combine medidas y manipulaciones de TMS con neuroimagen y medidas conductuales para caracterizar mejor los cambios patológicos subyacentes y el efecto del tratamiento. En quinto lugar, es necesario informar de la variabilidad de las respuestas individuales utilizando métodos TMS de doble sitio, ya que podría proporcionar información importante sobre cómo se pueden optimizar las intervenciones para diferentes áreas cerebrales, lo que conduce a nuevos tratamientos basados en mecanismos fisiopatológicos individuales. Por último, los investigadores deben ser transparentes a la hora de informar sobre los resultados mediante la inclusión de los resultados negativos42 y poner los datos a disposición del público para su interpretación para aumentar el tamaño de las muestras y promover una ciencia más eficiente. Este enfoque integral aumentará el rigor y la reproducibilidad tanto en la recopilación como en el análisis de datos que puedan guiar futuros estudios clínicos y neurocientíficos básicos. En última instancia, esto permitirá mejorar el diseño experimental y optimizar las terapias dirigidas, reduciendo así la morbilidad y las deficiencias en los trastornos neurológicos y psiquiátricos.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo fue apoyado por la Universidad de Michigan: MCubed Scholars Program y School of Kinesiology.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Alpha B.I. D50 coil (coated) Magstim 50mm coil
BrainSight 2.0 Software Rogue Research Neuronavigation software
BrainSight frameless Stereotactic System Rogue Research Neuronavigation equiptment
D702 Coil Magstim 70mm coil
Discovery MR750 General Electric 3.0T MRI machine
Disposable Earplugs 3M Foam earplugs
ECG Electrodes 30mm x 24mm Coviden-Kendall H124SG Disposable electrodes
Four Channel Isolated Amplifier Intronix Technologies Corporation 2024F EMG amplifier
gGAMMAcap g.tec Medical Engineering EEG head cap
Micro1401-3 Cambridge Electronic Design Scientific data recorder and processing machine
Nuprep Skin Prep Gel Weaver and Company Skin prep abrasive gel
Signal v.7 Cambridge Electronic Design Data acquisition and analysis software
The Magstim BiStim2 Magstim Transcranial magnetic stimulator (two 2002 units)

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Medición y manipulación de vías neuronales funcionalmente específicas en el sistema motor humano con estimulación magnética transcraneal
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Goldenkoff, E. R., Mashni, A., Michon, K. J., Lavis, H., Vesia, M. Measuring and Manipulating Functionally Specific Neural Pathways in the Human Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation. J. Vis. Exp. (156), e60706, doi:10.3791/60706 (2020).More

Goldenkoff, E. R., Mashni, A., Michon, K. J., Lavis, H., Vesia, M. Measuring and Manipulating Functionally Specific Neural Pathways in the Human Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation. J. Vis. Exp. (156), e60706, doi:10.3791/60706 (2020).

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