Login processing...

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

Neuroscience

Mätning och manipulera funktionellt specifika neurala vägar i det mänskliga motorsystemet med transkraniell magnetisk stimulering

doi: 10.3791/60706 Published: February 23, 2020

Summary

Denna artikel beskriver nya metoder för att mäta och stärka funktionellt specifika neurala vägar med transkraniell magnetisk stimulering. Dessa avancerade noninvasive hjärnan stimulering metoder kan ge nya möjligheter för förståelse av hjärnan-beteende relationer och utveckling av nya terapier för att behandla hjärnsjukdomar.

Abstract

Att förstå interaktioner mellan hjärnområden är viktigt för studier av målstyrt beteende. Funktionell neuroimaging av hjärnans anslutning har gett viktiga insikter i grundläggande processer i hjärnan som kognition, lärande och motorisk kontroll. Detta tillvägagångssätt kan dock inte ge orsaksbevis för inblandning av hjärnområden av intresse. Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) är ett kraftfullt, noninvasive verktyg för att studera den mänskliga hjärnan som kan övervinna denna begränsning genom att övergående ändra hjärnans aktivitet. Här lyfter vi fram de senaste framstegen med hjälp av en ihopkopplad TMS-metod med dubbla platser med två spolar som kausalt sonderkortikala interaktioner i det mänskliga motorsystemet under olika uppgiftskontexter. Dessutom beskriver vi en dual-site TMS protokoll baserat på när som parisk associativ stimulering (cPAS) som transiently förbättrar synaptisk effektivitet i två sammankopplade hjärnområden genom att tillämpa upprepade par när som är i pärm med två spolar. Dessa metoder kan ge en bättre förståelse av de mekanismer som ligger bakom kognitiv-motorisk funktion samt ett nytt perspektiv på att manipulera specifika neurala vägar på ett målinriktat sätt att modulera hjärnan kretsar och förbättra beteendet. Detta tillvägagångssätt kan visa sig vara ett effektivt verktyg för att utveckla mer sofistikerade modeller av hjärnan-beteende relationer och förbättra diagnos och behandling av många neurologiska och psykiska störningar.

Introduction

Noninvasive hjärnan stimulering är en lovande bedömning verktyg och behandling för många neurologiska sjukdomar, såsom Parkinsons sjukdom, Alzheimers sjukdom, och stroke1,2,3,4. Det finns ackumulerande bevis som fastställer förhållandet mellan beteendemässiga manifestationer av neurologiska sjukdomar och avvikelser i när som är retbarhet, neuroplasticitet, kortikala och kortikala och kortikala konnektikulära anslutning5,6. Därför kan grundläggande kunskaper om hjärnans nätverksdynamik och plasticitet i neurologiska tillstånd ge ovärderlig inblick i sjukdomsdiagnos, progression och svar på terapi. Funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) är ett användbart verktyg för att förstå de komplexa relationerna mellan hjärna och beteende i både friska och sjuka hjärnnätverk och har potential att förbättra behandlingen baserat på ett nätverksperspektiv7,8,9. Men fMRI är korrelationsrelaterad karaktär och kan inte ge ett orsakssamband mellan hjärnans funktion och beteende, eller manipulera funktionell anslutning för att återställa onormala neurala kretsar i samband med beteendemässiga funktionsnedsättningar hos patienter10,11,12. Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) kan både kausalt mäta och modulera mänskliga hjärnans funktion och beteende i hälsa och sjukdom3,13,14,15.

TMS är en säker, noninvasive metod för att stimulera den mänskliga hjärnan16,17och kan användas för att inducera och mäta plasticitet18. Denna metod kan främja vår förståelse av orsakssamband mellan enskilda hjärnområden och beteende10,11,12,19och deras specifika funktionella interaktioner med andra noder i ett hjärnnätverk20,21,22,23. Hittills har de flesta studier fokuserat på det mänskliga motorsystemet, med tanke på att TMS till handområdet i motorcortex (M1) kan producera motoriska framkallade potentialer (PARLAMENTSLEDAMÖTER) som fysiologiska avläsningar för förändringar i samband med motoriskt beteende24, vilket möjliggör undersökning av olika hämmande och excitatoriska kretsar på systemnivå i den mänskliga hjärnan25. Senaste framsteg med hjälp av en konditionering test TMS strategi med två spolar visar att det är möjligt att mäta funktionella interaktioner mellan olika när områden. I motorsystemet visar TMS-experiment med dubbla platser att indata från när områden som är sammankopplade med M1 kan förändras med uppgiftskrav, ålder eller sjukdom14,26. Nyskapande arbete av Ferbert och kollegor har funnit att tillämpa en konditionering stimulans till M1 före ett test stimulans av den andra M1 kan resultera i hämning av parlamentsledamoten amplitud, ett fenomen som kallas kort intervall interhemispheric hämning (SIHI)28. Ett antal TMS-studier med detta tillvägagångssätt har också visat att M1 är starkt sammankopplad med den kontralaterala M1, ventrala premotorcortex (PMv), dorsala premotor cortex (PMd), kompletterande motorområde (SMA), pre-SMA, primära sensorisk cortex (S1), dorsolateral prefrontalcortex (DLPFC), och bakre parietal cortex (PPC) i vila27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42. Intressant nog är effekten av stimulering från dessa när områden på motoriska kortikala retbarhet anatomiskt, tidsmässigt och funktionellt specifika för den pågående hjärnaktiviteten under beredningen av en rörelse (tillstånd- och kontextberoende43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69). Emellertid, mycket få studier med dubbla platser TMS har karakteriserat mönster av funktionella kortikala anslutning med motoriska och kognitiva funktionsnedsättningar hos patienter med hjärnsjukdomar70,71,72. Detta ger möjligheter att utveckla nya metoder för att bedöma och behandla motoriska och kognitiva störningar.

Med hjälp av denna teknik har det också visat sig att upprepade par när tms appliceras på när områden som är sammankopplade med M1 såsom kontralateral M168,69,70, PMv76,77,78, SMA71, och PPC80,81,82 kan framkalla förändringar i synaptisk effektivitet i specifika neurala vägar baserat på hebbianprincipen om assotivecia plasticitet83 ,84,85,86 och förbättra beteendemässiga prestanda72,73,74. Fortfarande, få studier har använt denna metod för att studera krets och plasticitet dysfunktion i neurologiska sjukdomar2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96. Det återstår att visa om stärka funktionellt specifika neurala vägar med TMS kan återställa aktiviteten i dysfunktionella kretsar, eller om den framtida förstärkningen av intakt kretskan ökamotståndskraften 97 i hjärnannätverk stödja motorisk och kognitiv funktion under hela livslängden och i sjukdom. Bristen på grundläggande förståelse av neurala mekanismer bakom neurologiska sjukdomar och effekter av stimulering på sammankopplade dysfunktionella hjärnnätverk begränsar nuvarande behandling.

Trots sin förmåga, TMS har ännu inte blivit en standard del av armamentarium av neurovetenskap och kliniska verktyg för att förstå hjärnanbeteende relationer, patofysiologi av hjärnsjukdomar, och effektiviteten av behandling. Därför, för att förverkliga sin potential och stödja sin storskaliga tillämpning, standardisera TMS metoder är viktigt eftersom det är mer sannolikt att öka stringensen för framtida TMS experiment och reproducerbarhet över oberoende laboratorier. I den här artikeln beskrivs hur TMS kan användas för att både mäta och manipulera funktionella interaktioner. Här beskriver vi denna teknik i motorsystemet (t.ex. parietomotorväg44) genom att mäta TMS-baserade utgående åtgärder (t.ex. ledamöter), där metoden bäst förstås. Det är dock viktigt att notera att detta protokoll också kan anpassas till mål funktionell koppling av andra subkortikala85,cerebellar86,87, och när områden. 73,74,88 Dessutom neuroimaging tekniker såsom EEG89,90,91 och fMRI92,93 kan användas för att bedöma TMS-inducerad förändringar i aktivitet och anslutning26,94. Vi avslutar med att föreslå att studiet av det funktionella deltagandet av kretsnivå kortikal anslutning med dessa TMS metoder i både hälsa och sjukdom gör det möjligt att utveckla riktade diagnoser och innovativa terapier baserade på mer sofistikerade nätverksmodeller av hjärnan-beteende relationer.

Protocol

Följande tre TMS-metoder beskrivs nedan. För det första beskrivs två metoder för att mäta kortikokortikal anslutning med dubbla platser transkraniell magnetisk stimulering (dsTMS) medan deltagarna antingen är 1) i vila (viloläge) eller 2) utför en objektriktad reach-to-grasp rörelse ( uppgiftsberoende). För det andra beskrivs en atorisk kombinationsstimuleringsmetod (cPAS) för att modulera samspelet mellan två hjärnområden på ett kontrollerat sätt genom att para ihop när som helst stimuli (t.ex. bakre parietetal och primära motoriska kortiater) för att stärka funktionella specifika neurala vägar med TMS och inducera förändringar i kortikal retbarhet. En representativ datauppsättning tillhandahålls för varje metod. Alla metoder som beskrivs i detta protokoll godkändes av University of Michigan Institutional Review Board i enlighet med Helsingforsdeklarationen.

1. Deltagarrekrytering

  1. Skärm alla deltagare för eventuella kontraindikationer till TMS95,96,97,98,99,100 och magnetisk resonanstomografi (MRI) före rekrytering. Rekrytera högerhänta deltagare101 för experiment som undersöker funktionell anslutning i motorsystemet.
  2. Informera varje deltagare om de studiemål, förfaranden och risker som godkänts av den lokala institutionella granskningsnämnden. Inhämta skriftligt samtycke innan den enskilde kan delta i studien.

2. Elektromyografi (EMG) Elektrod placering

  1. Instruera deltagaren att sitta bekvämt i den experimentella stolen med båda armarna som stöds i en avslappnad position. Ge en haka vila för deltagare under TMS att hålla huvudet rörelse till ett minimum under stimulering.
  2. Rengör huden över muskeln av intresse med en mild slipande. Med hjälp av en mage-sena elektrod arrangemang, placera en engångsAg-AgCl elektrod på magen muskeln och en annan på en beniga landmärke i närheten för en referensplats på båda händerna på deltagaren. Upprepa detta steg för varje muskel av intresse.
  3. Anslut en markelektrod till ulna-styloidprocessen. Det är viktigt att inspektera elektrodernas ytkontaktnivå med huden under hela försöket, eftersom detta utesluter EMG-signalens impedanskvalitet. Att placera tejp över ytelektroden kan förbättra graden av kontakt med hudytan.
    OBS: För reach-to-grasp åtgärder vanliga muskler studerade är 1) den första dorsala interosseous (FDI), 2) kidnappare pollicis (APB), och 3) kidnappare digitalis minimuskler i handen.
  4. Anslut ytelektroder med en EMG-förstärkare och ett dataförvärvssystem. Registrera och lagra EMG-signalerna från förstärkaren till datainsamlingsdatorn med EMG-programvara för onlineövervakning och offlineanalys av EMG-signalen. Förstärker tillval eMG-signalen 1 000x och använder ett bandpassfilter mellan 2 Hz och 2,5 kHz, digitaliserat vid 5 kHz med ett analogt till digitalt gränssnitt.

3. Lokalisera hjärnområden för riktade TMS

  1. Metod 1: Lokalisering utan MR-skanning
    1. Med hjälp av 10–20 EEG-systemet markerar C3, som ligger ungefär över den vänstra primära motorbarken (M1), och P3, som ligger ungefär över en del av den kantiga hjärnbarken i den vänstra bakre parietalcortexen (PPC), i deltagarens hårbotten. Se metoder som tidigare beskrivits102 för specifika steg för att lokalisera hjärnområden med EEG-systemet med 10–20 (se figur 3 och 4 från Villamar et al.102).
    2. Alternativt kan en elektroencefalografi (EEG) huvudlock användas för att approximera hjärnområdena i hårbotten. Placera ett EEG-tak på rätt storlek på deltagarens huvud och rikta in cz-positionen på locket med den markerade Cz-positionen på deltagarens hårbotten. Markera C3 och P3 med locket.
      LOKALISERING utan en individs MR-undersökning har potential att vara felaktiga103. Därför rekommenderas MR-baserad neuronavigation starkt för att öka noggrannheten och tillförlitligheten i inriktningen på TMS. Detta kan potentiellt leda till mindre variationer i TMS-inducerad efterverkningar.
  2. Metod 2: Använda en MR-genomsökning
    1. Före TMS-sessionen, få deltagarens strukturella MRI (T1). Ladda upp genomsökningen till ett neuronavigationssystem.
    2. Skapa en tredimensionell rekonstruktion av hjärnan och huden overlay med hjälp av neuronavigation programvara. Placera markörer på anatomiska landmärken på toppen av näsan, nasion, inion och preauricular skåror av båda öronen. Använd inte tragus eftersom den kan skifta när öronproppar sätts in.
    3. Hitta handratten, det anatomiska landmärket som motsvarar M1104, i den vänstra precentralens hjärnbark. Placera en bana markör på denna punkt med neuronavigationsystemet. Denna punkt bör justeras 45° från midsagittal linjen och ungefär vinkelrätt mot den centrala sulcus. Spela in och namnge det anatomiska landmärket med neuronavigationssystemet (figur 1).
    4. Lokalisera det icke-motoriska intresseområdet (t.ex. över det främre intrapariettalsulcus-området i PPC). Placera en andra bana markör över denna anatomiska landmärke. Registrera och namnge platsen med neuronavigationssystemet (bild 1).
  3. Utför spole- och huvudregistrering med spårningssystemet
    1. Kalibrera båda TMS-spolarna med kalibreringsblocket separat med hjälp av neuronavigationssystemet.
    2. Placera huvudet tracker säkert på deltagarens huvud så att trackern är i sikte under hela experimentet.
    3. Koregistrera de anatomiska landmärkenna på deltagarens huvud till neuronavigationssystemet. Om ett MRI inte erhölls från deltagaren, använd en mall MRI från Montreal Neurological Institute.
      OBS: Det är viktigt att inte tillämpa för mycket kraft med pekaren på deltagarens hud för att undvika obehag och felaktigheter när du utför registrering. Det kan vara värdefullt att kontrollera regelbundet under hela experimentet att huvudet tracker inte har skiftat. Dessa procedurer säkerställer precision vid applicering av TMS-spolen på ett målområde för stimulering under experimentet.

4. Lokalisering optimal TMS coil position och bestämma tröskelvärden

OBS: I detta experiment hänvisar CoilM1 till spolen som används för att leverera stimulering till M1, medan CoilTwo hänvisar till spolen som används för att leverera stimulering till det andra kortikalt området av intresse (t.ex. bakre pariettal cortex). Tröskelning över M1 måste bestämmas för coiltwo för att beräkna den maximala stimulatorproduktionen (MSO) som används över icke-motoriska områden. Värden för motorfordonströskel bör rapporteras för att möjliggöra jämförelser och reproducerbarhet mellan experiment.

  1. Lokalisera och trösklar med CoilTwo
    1. Placera mitten av CoilTwo över målet M1 plats identifieras i föregående avsnitt för att inducera en bakre-främre ström riktning i hjärnan.
    2. För att hitta den optimala platsen för aktivering av målmuskeln, leverera pulser till M1 vid 30% av maskinens MSO. Observera om den levererade stimuleringen ger en muskelryckning och bestämma amplituden av motorn framkallat potential (MEP) som registrerats med EMG-elektroderna från muskelaktiviteten som visas av datainsamlingssystemet.
    3. Om en ledamot av Europaparlamentet eller en synlig muskelryckning inte observeras fortsätter du att öka stimulatorproduktionen med 5 % steg. TMS-spolens position, rotation, tonsättning och gir kan behöva justeras för att optimera mep-leverantörens amplitud. Upprepa detta tills ett svar observeras.
    4. Sänk intensiteten på ett stegvis sätt till den lägsta intensiteten som ger minst 5 av 10 MEP-svar med en amplitud på ≥50 μV medan deltagaren är i vila97,98,105. Detta definieras som vilolägeströskeln (RMT).
    5. Se till att båda händerna är i viloläge under hela tröskeln och att båda händerna får vila med både armar och händer som stöds med kuddar.
    6. Ge visuell eller auditiv återkoppling i realtid av muskelaktivitet från EMG (t.ex. på en bildskärm eller högtalare) under hela sessionen, särskilt om det finns överdriven muskelaktivitet (t.ex. äldre vuxna populationer).
    7. Fråga kontinuerligt deltagareom nivåer av komfort.
      OBS: Det är viktigt att alla förfaranden som beskrivs ovan utförs separat och upprepas för varje TMS-spole för att bestämma de specifika parametrar som används i experimentet för de olika storleksspolarna (t.ex. lokalisering optimal TMS-spole position och bestämma stimulansintensiteter för motortrösklar). Det är också viktigt att intervallet mellan TMS-pulserna är >5 s för att undvika att inducera förändringar i kortikala retbarhet.
  2. Lokalisera och trösklar med CoilM1
    1. Upprepa stegen som beskrivs ovan för att hitta den optimala stimuleringsplatsen med SpolenM1.
    2. Bestäm den lägsta stimulatorintensitet som behövs för att generera parlamentsledamöter på ≥1 mV i 5 av 10 försök i målhandmuskeln när muskeln är helt avslappnad. Markera och spela in positionen för CoilM1 med hjälp av neuronavigationssystemet.

5. TMS med dubbla platser (viloläge)

  1. Använd två figur-8-formade spolar (t.ex. CoilM1 och CoilTwo)anslutna till två individuella TMS-stimulatorer (t.ex. två Magstim 2002 enheter). Leverera teststimuli (TS) över M1 med CoilM1 (t.ex. D70² figur-8 formad spole, utvändig diameter på slingan är 7 cm) och konditioneringstimuli (CS) till det andra intresseområdet med CoilTwo. (t.ex. D50 Alpha B.I., ytterdiametern på varje slinga är 5 cm).
  2. Bestäm procentandelen av MSO-intensiteten för konditioneringsstimulans (CS) för CoilTwo.
    OBS: Procentandelen av MSO-intensiteten är ofta mellan 70–140 rmt och beror på experimentens specifika parametrar och mål (se tabell 3 från Lafleur et al.14). För detta experiment, CS sattes till 90% av RMT, liknande parametrar som används på andra håll35,44,60.
  3. För testet stimulans (TS), använda den tidigare bestämda intensitet som framkallar MEP amplituds ~ 1 mV i riktade quiescent handmuskeln.
  4. Ställ in det exakta interstimulusintervallet (ISI) mellan CS och TS.
  5. Använd den medföljande styrprogramvaran eller extern kontroll via TTL-pulser för att styra ISI för de två pulserna. ISI varierar ofta från 4-20 ms (se tabell 1 från Lafleur et al.14). För detta experiment föregick CS till PPC TS till M1 av en ISI på 5 ms.
  6. Med hjälp av ett skräddarsytt kodningsskript genererar du i slumpmässig ordning TMS-test (TS ensam) och kopplade Puls TMS-studier (CS-TS) vid den angivna ISI.Using a custom-made coding script, generate in random order the single-pulse TMS trials (TS alone) and paired-pulse TMS trials (CS-TS) at the specified ISI.
  7. Placera CoilM1 över vänster M1 och placera CoilTwo över det andra intresseområdet.
  8. Leverera TS ensam prövningar med CoilM1. För de parade pulsförsöken (CS-TS) levererar du CS med CoilTwo följt av TS till CoilM1 vid de förutbestämda ISIs. Detta illustreras i figur 2. Upprepa minst 12 försök för varje villkor. Leverera TS minst 1 s efter starten av rättegången för att samla prestimulus EMG aktivitet. Använd ett 4 s datainsamlingssvep för varje utvärderingsversion följt av ett 1-tals intervall för intertrial.
  9. Justera vid behov TMS-spolelägena något för att tillgodose placeringen av båda spolarna över de valda riktade platserna på deltagarens huvud. Justera och registrera den nya platsen för CoilM1 och CoilTwo med hjälp av neuronavigationssystemet därefter.
  10. Använd avtryckaren på TMS-maskinen för den medföljande kontrollprogramvaran eller det skräddarsydda kodningsskriptet från den externa styrenheten för att leverera de programmerade TMS-pulserna.
    För detta experiment användes ett dataförvärvssystem (t.ex. CED Micro 1401) och mjukvarupaket (t.ex. Signalversion 7) för att generera stimuli, samla in data, styra den externa utrustningen och köra analysen. De skräddarsydda kodningsskript som används för att köra och analysera data från experimenten är tillgängliga från motsvarande författare.

6. TMS med dubbla platser (Aktivitetskontext)

Obs: TMS med dubbla platser kan också användas för att testa om funktionell anslutning i vila kan moduleras av olika aktivitetskontexter.

  1. Följ samma metod som beskrivs i avsnittet ovan för att undersöka funktionella interaktioner mellan olika när områden som är sammankopplade med M1, men under den förberedande fasen av en uppgift som anlitar nätverket (t.ex. under handlingsplanen för ett grepp).
  2. Bestäm tidskursen och ett kortiskt intresseområde (t.ex. PPC) för att studera funktionella interaktioner med M1 under utarbetandet av en komplex rörelseplan (t.ex. objektdriven precisionsgrepp eller helhandsgrepp43,44,45,46,47,49,49,106) för selektiva handmuskler.
  3. Med hjälp av ett skräddarsytt kodningsskript, generera i slumpmässig ordning tidpunkten för TS ensam prövningar och parade puls försök (CS-TS) vid en viss ISI efter "GO" cue under reaktionstiden (plan fas) så att parlamentsledamoten inspelningar samlas in före rörelsen inledande (förtransportperiod) för uppgiften.
  4. Leverera tms-sonder (Enpuls) eller parkopplad puls (CS-TS) mellan 50 och 800 ms efter "GO"-cue47,49 under handlingsplanen för komplexa handrörelser. Se bild 3 för tidpunkt för en händelserelaterad utvärderingsversion för det här experimentet. De skräddarsydda kodningsskript som används för att köra tidpunkten för händelserelaterade försök är tillgängliga från motsvarande författare.
    1. Innan testsessionen med TMS, låt deltagaren utföra uppgiften i minst 50 övningsförsök för att fastställa en konsekvent reaktionstid. Uppmuntra deltagaren att ställa frågor om uppgiften för att säkerställa tillförlitlig prestanda under testsessionen med TMS.
    2. Använd det skräddarsydda kodningsskriptet för att leverera alla kombinationer av TMS (endast en puls) eller parat puls(CS-TS) och uppgiften (t.ex. greppa en mindre topp eller greppa ett större bottenobjekt) under reaktionstiden (planfas) så att MEP-inspelningarna är samlas in före den faktiska rörelseinitieringen.

7. Kortikal paras associativ stimulering (cPAS)

OBS: Detta protokoll innebär att leverera par av monofasiska pulser till två olika när områden under korta perioder för att inducera pathway-specifika förändringar i synaptisk styrka mellan anslutningar inom den mänskliga hjärnan. Detta tillvägagångssätt bygger på hebbiska principer för spike timing beroende plasticitet107,108,109,110. I likhet med TMS-metoder med dubbla platser levereras cPAS med två TMS-maskiner anslutna till två enskilda TMS-spolar över två olika när områden (t.ex. PPC och M1).

  1. Generera 100 par stimuli med hjälp av ett skräddarsytt kodningsskript med ett skräddarsytt kodningsskript. För det experimentella cPASTvå→M1-villkoret levererar du den första stimuliöver nonmotorområdet (t.ex. PPC) med CoilTwo med en specificerad pulsintensitet (t.ex. 90% RMT) för 5 ms före den andra stimuli över M1 med CoilM1 med en pulsintensitet som framkallar en MEP amplitud på ~ 1 mV i den riktade handmuskeln.
  2. Det är viktigt att kontrollera för: 1) riktning av anslutningen (CTRLM1→Two); 2) tidpunkt (CTRLISI=500ms); och 3) stimuleringsplats (CTRL Control site→M1)i separata sessioner. För exempel se72,74,111,112. De skräddarsydda kodningsskripten för varje cPAS-villkor är tillgängliga från motsvarande författare. Stimuleringsparametrarna (t.ex. intensiteter och ISI) kan justeras för olika när områden. Se tabell 2 från Lafleur et al.14 för en sammanfattning av plasticity protokoll.
  3. Använd de procedurer som beskrivs i tidigare avsnitt för att styra den exakta platsen för TMS-spolarna.
  4. Få mätningar av kortikospinalvid baslinjen med CoilM1 (t.ex. ~24 ledamöter).
  5. Randomisera deltagarna till en av fyra interventionsgrupper: 1) cPAS Två→M1; 2) CTRLM1→Två; 3) CTRLISI=500ms; 4) CTRL Kontrollwebbplats→M1.
  6. För detta experiment testades endast det experimentella cPAS-villkoret Two→M1 och PPC användes som intresseområde. När du utför flera sessioner på samma deltagare är det viktigt att varje experimentell session avgränsas med minst 48 timmar i en randomiserad ordning för att förhindra crossover-effekter. Det är också viktigt att upprepa sessioner inom varje deltagare vid samma tidpunkt på dagen för att kontrollera om det finns vakenhet.
  7. Använd det skräddarsydda kodningsskriptet för att leverera det angivna cPAS-villkoret.
  8. Övervaka muskelaktiviteten hos den andra (vänster) handen under experimentet med EMG för att säkerställa att handen är helt avslappnad under protokollet.
  9. Få corticospinal mätningar med CoilM1 (t.ex. ca 24 parlamentsledamöter) vid olika tidpunkter efter cPAS (t.ex. 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 min) för att undersöka tidsförloppet för TMS-inducerad effekt på hjärnans retbarhet.
    OBS: Det experimentella protokoll som används här visas i figur 4. De flesta studier hittills har fokuserat på motorsystemet eftersom parlamentsledamoten är en tillförlitlig utfallsåtgärd. Emellertid beteendemässiga åtgärder72,73,74 och funktionell anslutning styrka med fMRI92,93 och EEG89,90 efter TMS manipulation av associativ plasticitet kan också undersökas. Dessa metoder kan också antas för olika när områden som inte inkluderar M1 som ett kortiskt mål.

8. Databehandling och analys

  1. Inspektera EMG-data offline visuellt och kassera alla spår som visar muskelaktivitet där roten medelkvadrat EMG aktivitet i musklerna överskred en bakgrundsnivå på 10 μV under 100 ms omedelbart före TMS puls för att säkerställa att musklerna var i vila59,113.
  2. På samma sätt kassera alla försök med EMG-aktivitet som sammanfaller med TMS-pulsen under rörelseförberedelseperioden (t.ex. 800 ms fönster47,49) i försök att hantera TMS-aktivitetskontext med dubbla platser för att utesluta förutseende svar.
  3. För varje parlamentsledamot-test, mäta topp-till-topp amplitud mellan lägsta och högsta värden i mV i tidsfönstret mellan 50 ms före och 100 ms efter TS105.
  4. Beräkna medelvärdet av mep amplituder i millivolts från TS ensam prövningar och parat puls (CS-TS) prövningar för varje deltagare. Beräkna medelvärdet för alla deltagare. Rapportera dessa värden.
  5. Därefter normaliserar du de genomsnittliga mepamplituden från parkopplade pulsstimuleringsförsök (CS-TS) från de okonditionerade enpulsförsöken (Enbart TS) för varje deltagare och skick. Uttryck mep amplituder som ett förhållande till ts-tillståndet i baslinjen.

Equation 1

  1. Beräkna medelvärdet för alla deltagare. Rapportera dessa värden.

Representative Results

Figur 5 visar storleken på ett exempellig parlamentsledamot svar framkallas i FDI muskel av TMS för en okonditionerad test stimuli (TS ensam till M1, blå spår) eller konditionerade stimuli från PPC (CS-TS, rött spår) medan deltagaren var i vila (övre panelen) eller planerar en målinriktad greppa åtgärder till ett objekt (nedre panelen). I vila utövar PPC en hämmande påverkan på ipsilateral M1, vilket framgår av minskningen av pmep amplituder potentieras av en subthreshold CS levereras över PPC 5 ms innan en övertröskel TS över M1 (övre panelen). Under beredningen av ett grepp åtgärd, denna netto hämmande enhet i vila från PPC bytte till underlättande (en frisättning av hämning). För att direkt jämföra PPC-M1 interaktioner under vila kontra uppgiftskrav, var mep amplituder normaliserades till TS ensam prövningar för varje villkor och ritades som ett förhållande för MEP amplitud. PPC-M1-interaktionen underlättades från vila när du planerar ett objektstyrt grepp (lila staplar).

Den övre panelen i bild 6 visar ändringar i mep amplituder under administrationen av cPAS-protokollet. MEP amplituder framkallas av parade stimulering av PPC och M1 ökade gradvis med tiden under stimulering protokollet, vilket tyder på plasteffekter på nivån för parieto-motor anslutning, M1 corticospinal nervceller, eller båda. Den nedre panelen av figur 6 visar förändringar i MEP amplituder framkallas i vilaNDE FDI muskeln av enpuls TMS över M1 före och efter cPAS protokollet. Storleken på mep amplituder ökade 10 min efter cPAS protokollet, vilket tyder på motor retbarhet efterverkningar induceras efter administrering av upprepade par när som stimuli över PPC och M1.

Figure 1
Figur 1: Tredimensionell rekonstruktion av en typisk deltagares anatomiska MRI med markerade när platser över den primära motoriska cortex (M1, blå symbol) och bakre pariettal cortex (PPC, röd symbol) på vänster halvklotet. Neuronavigation programvara för TMS användes för att rikta individuellt beslutsamma när områden med varje figur-8 TMS spole. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: Schematisk representation av den dubbla platsen, parat puls transkraniell magnetisk stimulering med två spolar (dsTMS) används för att sondera funktionella interaktioner mellan den bakre parietal cortex (PPC) och primära motor cortex (M1) i vila (viloläge). En cs tillämpades på PPC för att undersöka dess effekt på en efterföljande övertröskel TS till M1. Varje förändring i amplitud en högermuskel reaktion på TMS mäts med EMG. För detta experiment var CS-intensiteten 90% av RMT. Intensiteten i TS justerades för att framkalla en parlamentsledamot på ~ 1 mV topp-till-topp i den avslappnade utländska direktinvesteringar och ADM. ISI mellan pulserna var 5 ms. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Bild 3: DsTMS-metoden som används för att undersöka funktionella interaktioner mellan PPC och M1 under en reach-to-grasp-rörelse (uppgiftskontext). Belysningen av en LED instruerade deltagaren att planera en av två möjliga högeråtgärder på målobjektet: 1) ta tag i den mindre toppcylindern eller 2) ta tag i den större bottencylindern. Enbart TS eller CS–TS vid den angivna ISI (t.ex. 5 ms) levererades 300 ms efter "GO"-referensen (t.ex. LED-debut) under reaktionstiden (planfas) så att inspelningar na av Europaparlamentet samlades in före den faktiska rörelseinitieringen (prickad svart linje). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: Schematisk av när som parats associativ stimulering protokoll (cPAS) används för att stärka funktionellt specifika neurala vägar. Den första stimulansen tillämpades på intresseområdet med CoilTwo (t.ex. PPC, röd spole) 5 ms innan den andra stimulansen levererades till M1 (blå spole) med CoilM1. Paren av när som helst stimuli levererades med en frekvens av 0,2 Hz (en gång var 5 s) och upprepas för 100 försök (~ 8,3 min). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: Exemplarparlamentsledamot spår för en okonditionerad teststimulans (TS ensam, blå spår) eller konditionerad stimulans (CS-TS, rött spår) för viloläge (övre panelen) och sammanhangsberoende (nedre panelen) tillstånd. Stapeldiagram visar mep amplituder från DSTMS-protokollet medan deltagaren är i vila eller utför en greppa uppgift (åtgärd). När deltagaren var i vila (övre panelen), CS-TS (röd bar) minskade medelamplitud av parlamentsledamöter (hämning) jämfört med den obetingade TS ensam (blå bar). När deltagaren planerade uppgiften för reach-to-grasp (nedre panelen) ökade däremot den genomsnittliga mepamplituden (underlättande) för CS-TS-försök (röd stapel) jämfört med TS-försöken (blå stapel). För att direkt jämföra PPC-M1 interaktion för vila kontra åtgärd villkor, den genomsnittliga MEP amplitud framkallas av parade-puls stimulering (CS-TS) normaliserades genom att beräkna förhållandet mellan amplitud i förhållande till den genomsnittliga okonditionerade MEP amplitud (TS ensam). Lila staplar representerar den normaliserade MEP amplituden för varje tillstånd. Y = 1 anger ingen effekt av CS på M1 retbarhet (prickad svart linje), medan nyckeltal högre än 1 indikerar ökad M1 retbarhet och nyckeltal lägre än 1 indikerar minskad M1 retbarhet på grund av konditionerad stimuli (CS-TS). Felstaplar representerar SEM. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: Ledamöterna under cPAS. Övre panelen visar att parlamentsledamot amplituder ökade under administrering av cPAS. Den nedre panelen visar effekten av cPAS-protokollet på mep-amplitud. Efter cPAS ingripande (röd bar) kortikospinal retbarhet ökade efter 10 min (mörkgrå bar) jämfört med baslinjen (ljusgrå bar), som bedöms av parlamentsledamöter i quiescent handmuskler. Den röda stapeln representerar den parade stimulering intervention, cPAS (100 par på 0,2 Hz, ~ 8,3 min). Detta tyder på att modulera parieto-motor interaktioner med cPAS kan framkalla övergående förändringar i motor plasticitet. Felstaplar representerar SEM. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Den tms-metod med dubbla platser som beskrivs här kan användas för att undersöka funktionella interaktioner mellan olika när områden som är sammankopplade med den primära motorbarken medan en deltagare är i vila eller planerar en målinriktad åtgärd. Medan hjärnan imaging är korrelerad, grundläggande kunskaper från dual-site TMS metoder kan avslöja kausala hjärnan-beteende relationer i samband med förändringar i kortikokortikala kretsar. Dessutom kan kortikal asociativ stimulering med två TMS-ringar appliceras i områden som är sammankopplade med M1 användas för att stärka funktionellt specifik anslutning för rörelsekontroll och öka effektiviteten i inducerande plasticitet. Sammantaget visar dessa metoder att dessa TMS-protokoll både kan mäta och manipulera neural aktivitet underliggande informationsflöde mellan hjärnområden i ett anatomiskt-, uppgifts- och tidsberoende sätt inom motorsystemet. Detta ger möjligheter att testa olika hypoteser relaterade till orsaksbidrag av när områden till motorisk funktion.

Mot denna bakgrund kan tillvägagångssättet också utgöra en viktig grund för att förstå nätverksanslutningen på systemnivå hos neurologiska och psykiatriska patienter med liknande symptomologi och möjliggöra dess användning som både ett verktyg för att diagnostisera och behandla kretsdysfunktion. Därför är det viktigt för fler studier att utforska andra när områden utanför motorsystemet för att testa dess generalizability över hjärnannätverk i både friska och sjuka hjärnor. Detta är en viktig faktor med tanke på att man inte kan anta att svaret på TMS i en hjärnregion kommer att ge samma fysiologiska effekt när den appliceras på en annan region. Det är också fördelaktigt att dessa förfaranden kan utvidgas till mer komplexa rörelser, och andra områden utanför rörelse såsom kognition, perception och humör. Faktum är att flera studier med dubbla platser TMS och cPAS har börjat undersöka effekterna och genomförbarheten av studier i de visuella och kognitivasystemen 73,74,88. Viktigt, Detta kommer att ge möjligheter att utveckla en mer sofistikerad förståelse av neurala underbyggnad länka hjärnans aktivitet till motorisk, kognitiv, och affektiv funktion. Som ett resultat är det viktigt att en solid mekanistisk kunskap om neural krets dynamik i patientenpopulationer undersöks innan du bestämmer nyttan av tillämpningen av dessa protokoll i framtida kliniska inställningar.

Även växande bevis tyder på att TMS är en ny metod som kan karakterisera synaptisk dysfunktion och plasticitet i neurologiska och psykiska störningar såsom Parkinsons sjukdom, Alzheimers sjukdom, och stroke, den kliniska nyttan av dessa bedömningar måste fastställas i större skala. Dessutom har hittills allt arbete i patientpopulationer endast fokuserat på funktionella kretsar medan deltagarna är i vila. Det är viktigt att framtida studier med TMS med dubbla platser anser att tillstånds- och uppgiftsberoende effekter, särskilt när patienten utmanas, att fylla kunskapsluckor i förståelsen för hur förändrad hjärndynamik bidrar till specifika motoriska, kognitiva och affektiva Dysfunktioner. Viktigt, denna inställning möjliggör aldrig tidigare skådade möjligheter att omfattande studera funktionella hjärnkretsar och plasticitet noninvasively genom både inspelning och manipulera neural aktivitet. Detta kan så småningom översättas till nya kliniska terapier för hjärnsjukdomar.

Väntar på dessa kliniska framsteg, ett kritiskt första steg är att öka stringens och reproducerbarhet av TMS experiment över oberoende laboratorier genom att tillhandahålla väldefinierade metodologiska förfaranden som är lätt att distribuera och dela. Följande riktlinjer för de TMS-procedurer som beskrivs ovan kan hjälpa till att standardisera resultatens utformning, implementering och avgörande. Först bör stimuleringsparametrar som intensitet, varaktighet, ISI, timing, spole position och anatomiska platser noggrant dokumenteras och upprepas i samma uppgift sammanhang över flera oberoende laboratorier för att uppmuntra storskaliga tester och tillämpning. För det andra bör hjärnans mål definieras exakt baserat på tydliga anatomiska och funktionella kriterier som fångar hjärnans aktivitet inom hjärnankretsar i samband med beteende. Tredje, neuronavigation bör användas för att styra TMS coil placering när inriktning nämnda hjärnan kretsar. Det rekommenderas också att experiment en hypotesdriven och använda både en kontrolluppgift för att säkerställa att förändringar är relaterade selektivt till uppgiftskontexten och en kontrollhjärnplats utanför det förmodade riktade nätverket för att utesluta den ospecifika effekten av stimulering. För det fjärde, för att bättre informera den diagnostiska noggrannheten och terapeutiska effektiviteten av dessa metoder i framtida kliniska miljöer, grundläggande forskning kommer att behöva använda en multimodal strategi som kombinerar TMS åtgärder och manipulationer med neuroimaging och beteendemässiga åtgärder för att bättre karakterisera de underliggande patologiska förändringar och effekten av behandlingen. Femte, variationer i enskilda svar med dubbla platser TMS metoder måste rapporteras eftersom det kan ge viktig information om hur insatser kan optimeras för olika hjärnområden, vilket leder till nya behandlingar baserade på enskilda patofysiologiska mekanismer. Slutligen måste forskarna vara öppna när de rapporterar resultat genom att inkludera negativa resultat42 och göra uppgifter tillgängliga för tolkning för att öka urvalsstorlekarna och främja effektivare vetenskap. Detta övergripande tillvägagångssätt kommer att öka stringens och reproducerbarhet i både insamling och analys av data som kan vägleda framtida grundläggande neurovetenskap och kliniska studier. I slutändan kommer detta att möjliggöra förbättringar i experimentell design och optimera riktade terapier, vilket minskar sjuklighet och försämringar i neurologiska och psykiska störningar.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av University of Michigan: MCubed Scholars Program och School of Kinesiology.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ni, Z., Chen, R. Transcranial magnetic stimulation to understand pathophysiology and as potential treatment for neurodegenerative diseases. Translational Neurodegeneration. 4, (1), 1-12 (2015).
  2. Koch, G., Martorana, A., Caltagirone, C. Transcranial magnetic stimulation_ Emerging biomarkers and novel therapeutics in Alzheimer's disease. Neuroscience Letters. 134355, (2019).
  3. Hallett, M., et al. Contribution of transcranial magnetic stimulation to assessment of brain connectivity and networks. Clinical Neurophysiology. 128, (11), 2125-2139 (2017).
  4. Hummel, F. C., Cohen, L. G. Non-invasive brain stimulation: a new strategy to improve neurorehabilitation after stroke. The Lancet Neurology. 5, (8), 708-712 (2006).
  5. Caligiore, D., et al. Parkinson's disease as a system-level disorder. Nature Publishing Group. 2, (1), 1-9 (2016).
  6. Grefkes, C., Fink, G. R. Reorganization of cerebral networks after stroke: new insights from neuroimaging with connectivity approaches. Brain. 134, (5), 1264-1276 (2011).
  7. Calhoun, V. D., Miller, R., Pearlson, G., Adalı, T. The Chronnectome: Time-Varying Connectivity Networks as the Next Frontier in fMRI Data Discovery. Neuron. 84, (2), 262-274 (2014).
  8. Fox, M. D., et al. Resting-state networks link invasive and noninvasive brain stimulation across diverse psychiatric and neurological diseases. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111, (41), 4367-4375 (2014).
  9. Fox, M. D., Halko, M. A., Eldaief, M. C., Pascual-Leone, A. Measuring and manipulating brain connectivity with resting state functional connectivity magnetic resonance imaging (fcMRI) and transcranial magnetic stimulation (TMS). NeuroImage. 62, (4), 2232-2243 (2012).
  10. Pascual-Leone, A., Walsh, V., Rothwell, J. Transcranial magnetic stimulation in cognitive neuroscience--virtual lesion, chronometry, and functional connectivity. Current Opinion in Neurobiology. 10, (2), 232-237 (2000).
  11. Pascual-Leone, A., Bartres-Faz, D., Keenan, J. P. Transcranial magnetic stimulation: studying the brain-behaviour relationship by induction of "virtual lesions". Philosophical transactions of the Royal Society of London Series B, Biological Sciences. 354, (1387), 1229-1238 (1999).
  12. Bolognini, N., Ro, T. Transcranial magnetic stimulation: disrupting neural activity to alter and assess brain function. The Journal of Neuroscience. 30, (29), 9647-9650 (2010).
  13. Rothwell, J. C. Using transcranial magnetic stimulation methods to probe connectivity between motor areas of the brain. Human Movement Science. 30, (5), 906-915 (2010).
  14. Lafleur, L. P., Tremblay, S., Whittingstall, K., Lepage, J. F. Assessment of Effective Connectivity and Plasticity With Dual-Coil Transcranial Magnetic Stimulation. Brain Stimulation. 9, (3), 347-355 (2016).
  15. Chouinard, P. A., Paus, T. What have We Learned from "Perturbing" the Human Cortical Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation. Frontiers in Human Neuroscience. 4, 173 (2010).
  16. Chen, R. Studies of human motor physiology with transcranial magnetic stimulation. Muscle & Nerve. 23, (S9), 26-32 (2000).
  17. Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation and the human brain. Nature. 406, (6792), 147-150 (2000).
  18. Chen, R., Udupa, K. Measurement and modulation of plasticity of the motor system in humans using transcranial magnetic stimulation. Motor Control. 13, (4), 442-453 (2009).
  19. Walsh, V., Rushworth, M. A primer of magnetic stimulation as a tool for neuropsychology. Neuropsychologia. 37, (2), 125-135 (1999).
  20. Bestmann, S., et al. Mapping causal interregional influences with concurrent TMS-fMRI. Experimental Brain Research. 191, (4), 383-402 (2008).
  21. Siebner, H. R., Hartwigsen, G., Kassuba, T., Rothwell, J. C. How does transcranial magnetic stimulation modify neuronal activity in the brain? Implications for studies of cognition. Cortex. 45, (9), 1035-1042 (2009).
  22. Dayan, E., Censor, N., Buch, E. R., Sandrini, M., Cohen, L. G. Noninvasive brain stimulation: from physiology to network dynamics and back. Nature Publishing Group. 16, (7), 838-844 (2013).
  23. Sack, A. T. Transcranial magnetic stimulation, causal structure-function mapping and networks of functional relevance. Current Opinion in Neurobiology. 16, (5), 593-599 (2006).
  24. Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Experimental Brain Research. 233, (3), 679-689 (2015).
  25. Vesia, M., Davare, M. Decoding Action Intentions in Parietofrontal Circuits. Journal of Neuroscience. 31, (46), 16491-16493 (2011).
  26. Cantarero, G., Celnik, P. Applications of TMS to Study Brain Connectivity. Brain Stimulation: Methodologies and Interventions. 191-211 (2015).
  27. Ni, Z., et al. Two Phases of Interhemispheric Inhibition between Motor Related Cortical Areas and the Primary Motor Cortex in Human. Cerebral Cortex. 19, (7), 1654-1665 (2009).
  28. Ferbert, A., et al. Interhemispheric inhibition of the human motor cortex. The Journal of Physiology. 453, 525-546 (1992).
  29. Bäumer, T., et al. Inhibitory and facilitatory connectivity from ventral premotor to primary motor cortex in healthy humans at rest - A bifocal TMS study. Clinical Neurophysiology. 120, (9), 1724-1731 (2009).
  30. Koch, G., et al. Asymmetry of Parietal Interhemispheric Connections in Humans. Journal of Neuroscience. 31, (24), 8967-8975 (2011).
  31. Koch, G., et al. Focal stimulation of the posterior parietal cortex increases the excitability of the ipsilateral motor cortex. The Journal of Neuroscience. 27, (25), 6815-6822 (2007).
  32. Koch, G., et al. Interactions between pairs of transcranial magnetic stimuli over the human left dorsal premotor cortex differ from those seen in primary motor cortex. The Journal of Physiology. 578, (2), 551-562 (2007).
  33. Koch, G., et al. TMS activation of interhemispheric pathways between the posterior parietal cortex and the contralateral motor cortex. The Journal of Physiology. 587, Pt 17 4281-4292 (2009).
  34. Ziluk, A., Premji, A., Nelson, A. J. Functional connectivity from area 5 to primary motor cortex via paired-pulse transcranial magnetic stimulation. Neuroscience Letters. 484, (1), 81-85 (2010).
  35. Karabanov, A. N., Chao, C. C., Paine, R., Hallett, M. Mapping different intra-hemispheric parietal-motor networks using twin coil TMS. Brain Stimulation. 6, (3), 384-389 (2012).
  36. Mochizuki, H., Huang, Y. Z., Rothwell, J. C. Interhemispheric interaction between human dorsal premotor and contralateral primary motor cortex. The Journal of Physiology. 561, Pt 1 331-338 (2004).
  37. Civardi, C., Cantello, R., Asselman, P., Rothwell, J. C. Transcranial Magnetic Stimulation Can Be Used to Test Connections to Primary Motor Areas from Frontal and Medial Cortex in Humans. NeuroImage. 14, (6), 1444-1453 (2001).
  38. Groppa, S., et al. The human dorsal premotor cortex facilitates the excitability of ipsilateral primary motor cortex via a short latency cortico-cortical route. Human Brain Mapping. 33, (2), 419-430 (2011).
  39. Shirota, Y., et al. Increased primary motor cortical excitability by a single-pulse transcranial magnetic stimulation over the supplementary motor area. Experimental Brain Research. 219, (3), 339-349 (2012).
  40. Cattaneo, L., Barchiesi, G. Transcranial Magnetic Mapping of the Short-Latency Modulations of Corticospinal Activity from the Ipsilateral Hemisphere during Rest. Frontiers in Neural Circuits. 5, 14 (2011).
  41. Brown, M. J. N., et al. Somatosensory-motor cortex interactions measured using dual-site transcranial magnetic stimulation. Brain Stimulation. 12, (5), 1229-1243 (2019).
  42. Brown, M. J. N., Goldenkoff, E. R., Chen, R., Gunraj, C., Vesia, M. Using Dual-Site Transcranial Magnetic Stimulation to Probe Connectivity between the Dorsolateral Prefrontal Cortex and Ipsilateral Primary Motor Cortex in Humans. Brain Sciences. 9, (8), 177 (2019).
  43. Vesia, M., et al. Functional interaction between human dorsal premotor cortex and the ipsilateral primary motor cortex for grasp plans. Neuroreport. 29, 1355-1359 (2018).
  44. Vesia, M., et al. Human dorsomedial parieto-motor circuit specifies grasp during the planning of goal-directed hand actions. Cortex. 92, 175-186 (2017).
  45. Vesia, M., Bolton, D. A., Mochizuki, G., Staines, W. R. Human parietal and primary motor cortical interactions are selectively modulated during the transport and grip formation of goal-directed hand actions. Neuropsychologia. 51, (3), 410-417 (2013).
  46. Davare, M., Kraskov, A., Rothwell, J. C., Lemon, R. N. Interactions between areas of the cortical grasping network. Current Opinion in Neurobiology. 21, (4), 565-570 (2011).
  47. Davare, M., Rothwell, J. C., Lemon, R. N. Causal connectivity between the human anterior intraparietal area and premotor cortex during grasp. Current Biology. 20, (2), 176-181 (2010).
  48. Davare, M., Lemon, R., Olivier, E. Selective modulation of interactions between ventral premotor cortex and primary motor cortex during precision grasping in humans. The Journal of Physiology. 586, Pt 11 2735-2742 (2008).
  49. Davare, M., Montague, K., Olivier, E., Rothwell, J. C., Lemon, R. N. Ventral premotor to primary motor cortical interactions during object-driven grasp in humans. Cortex. 45, (9), 1050-1057 (2009).
  50. Schintu, S., et al. Paired-Pulse Parietal-Motor Stimulation Differentially Modulates Corticospinal Excitability across Hemispheres When Combined with Prism Adaptation. Neural Plasticity. 2016, (4-6), 1-9 (2016).
  51. Isayama, R., et al. Rubber hand illusion modulates the influences of somatosensory and parietal inputs to the motor cortex. Journal of Neurophysiology. 121, (2), 563-573 (2019).
  52. Karabanov, A., et al. Timing-dependent modulation of the posterior parietal cortex-primary motor cortex pathway by sensorimotor training. Journal of Neurophysiology. 107, (11), 3190-3199 (2012).
  53. Picazio, S., et al. Prefrontal Control over Motor Cortex Cycles at Beta Frequency during Movement Inhibition. Current Biology. 24, (24), 2940-2945 (2014).
  54. Mackenzie, T. N., et al. Human area 5 modulates corticospinal output during movement preparation. Neuroreport. 27, (14), 1056-1060 (2016).
  55. Groppa, S., et al. A novel dual-site transcranial magnetic stimulation paradigm to probe fast facilitatory inputs from ipsilateral dorsal premotor cortex to primary motor cortex. NeuroImage. 62, (1), 500-509 (2012).
  56. O'Shea, J., Sebastian, C., Boorman, E. D., Johansen-Berg, H., Rushworth, M. F. S. Functional specificity of human premotor-motor cortical interactions during action selection. The European Journal of Neuroscience. 26, (7), 2085-2095 (2007).
  57. Mars, R. B., et al. Short-latency influence of medial frontal cortex on primary motor cortex during action selection under conflict. The Journal of Neuroscience. 29, (21), 6926-6931 (2009).
  58. Hasan, A., et al. Muscle and timing-specific functional connectivity between the dorsolateral prefrontal cortex and the primary motor cortex. Journal of Cognitive Neuroscience. 25, (4), 558-570 (2013).
  59. Fujiyama, H., et al. Age-Related Changes in Frontal Network Structural and Functional Connectivity in Relation to Bimanual Movement Control. The Journal of Neuroscience. 36, (6), 1808-1822 (2016).
  60. Koch, G., et al. Functional Interplay between Posterior Parietal and Ipsilateral Motor Cortex Revealed by Twin-Coil Transcranial Magnetic Stimulation during Reach Planning toward Contralateral Space. The Journal of Neuroscience. 28, (23), 5944-5953 (2008).
  61. Koch, G., et al. In vivo definition of parieto-motor connections involved in planning of grasping movements. NeuroImage. 51, (1), 300-312 (2010).
  62. Koch, G., et al. Resonance of cortico-cortical connections of the motor system with the observation of goal directed grasping movements. Neuropsychologia. 48, (12), 3513-3520 (2010).
  63. Koch, G., et al. Time course of functional connectivity between dorsal premotor and contralateral motor cortex during movement selection. The Journal of Neuroscience. 26, (28), 7452-7459 (2006).
  64. Koch, G., Rothwell, J. C. TMS investigations into the task-dependent functional interplay between human posterior parietal and motor cortex. Behavioural Brain Research. 202, (2), 147-152 (2009).
  65. Lago, A., et al. Ventral premotor to primary motor cortical interactions during noxious and naturalistic action observation. Neuropsychologia. 48, (6), 1802-1806 (2010).
  66. Picazio, S., Ponzo, V., Koch, G. Cerebellar Control on Prefrontal-Motor Connectivity During Movement Inhibition. The Cerebellum. 15, (6), 680-687 (2015).
  67. Byblow, W. D., et al. Functional Connectivity Between Secondary and Primary Motor Areas Underlying Hand-Foot Coordination. Journal of Neurophysiology. 98, (1), 414-422 (2007).
  68. Rizzo, V., et al. Associative cortico-cortical plasticity may affect ipsilateral finger opposition movements. Behavioural Brain Research. 216, (1), 433-439 (2011).
  69. Rizzo, V., et al. Paired Associative Stimulation of Left and Right Human Motor Cortex Shapes Interhemispheric Motor Inhibition based on a Hebbian Mechanism. Cerebral Cortex. 19, (4), 907-915 (2009).
  70. Koganemaru, S., et al. Human motor associative plasticity induced by paired bihemispheric stimulation. The Journal of Physiology. 587, (19), 4629-4644 (2009).
  71. Arai, N., et al. State-dependent and timing-dependent bidirectional associative plasticity in the human SMA-M1 network. Journal of Neuroscience. 31, (43), 15376-15383 (2011).
  72. Fiori, F., Chiappini, E., Avenanti, A. Enhanced action performance following TMS manipulation of associative plasticity in ventral premotor-motor pathway. NeuroImage. 183, 847-858 (2018).
  73. Chiappini, E., Silvanto, J., Hibbard, P. B., Avenanti, A., Romei, V. Strengthening functionally specific neural pathways with transcranial brain stimulation. Current Biology. 28, (13), 735-736 (2018).
  74. Romei, V., Chiappini, E., Hibbard, P. B., Avenanti, A. Empowering Reentrant Projections from V5 to V1 Boosts Sensitivity to Motion. Current Biology. 26, (16), 2155-2160 (2016).
  75. Zittel, S., et al. Effects of dopaminergic treatment on functional cortico-cortical connectivity in Parkinson's disease. Experimental Brain Research. 233, (1), 329-337 (2014).
  76. Nelson, A. J., Hoque, T., Gunraj, C., Ni, Z., Chen, R. Impaired interhemispheric inhibition in writer's cramp. Neurology. 75, (5), 441-447 (2010).
  77. Murase, N., Duque, J., Mazzocchio, R., Cohen, L. G. Influence of interhemispheric interactions on motor function in chronic stroke. Annals of Neurology. 55, (3), 400-409 (2004).
  78. Bonnì, S., et al. Altered Parietal-Motor Connections in Alzheimer's Disease Patients. Journal of Alzheimer's Disease. 33, (2), 525-533 (2012).
  79. Koch, G., et al. Altered dorsal premotor-motor interhemispheric pathway activity in focal arm dystonia. Movement Disorders. 23, (5), 660-668 (2008).
  80. Koch, G., et al. Hyperexcitability of parietal-motor functional connections in the intact left-hemisphere of patients with neglect. Brain. 131, Pt 12 3147-3155 (2008).
  81. Di Lorenzo, F., et al. Long-term potentiation-like cortical plasticity is disrupted in Alzheimer's disease patients independently from age of onset. Annals of Neurology. 80, (2), 202-210 (2016).
  82. Ponzo, V., et al. Altered inhibitory interaction among inferior frontal and motor cortex in l-dopa-induced dyskinesias. Movement Disorders. 31, (5), 755-759 (2016).
  83. Koch, G., et al. Effect of Cerebellar Stimulation on Gait and Balance Recovery in Patients With Hemiparetic Stroke. JAMA Neurology. 76, (2), 170-178 (2018).
  84. Palomar, F. J., et al. Parieto-motor functional connectivity is impaired in Parkinson's disease. Brain Stimulation. 6, (2), 147-154 (2013).
  85. Udupa, K., et al. Cortical Plasticity Induction by Pairing Subthalamic Nucleus Deep-Brain Stimulation and Primary Motor Cortical Transcranial Magnetic Stimulation in Parkinson's Disease. The Journal of Neuroscience. 36, (2), 396-404 (2016).
  86. Ugawa, Y., Uesaka, Y., Terao, Y., Hanajima, R., Kanazawa, I. Magnetic stimulation over the cerebellum in humans. Annals of Neurology. 37, (6), 703-713 (1995).
  87. Pinto, A. D., Chen, R. Suppression of the motor cortex by magnetic stimulation of the cerebellum. Experimental Brain Research. 140, (4), 505-510 (2001).
  88. Kohl, S., et al. Cortical Paired Associative Stimulation Influences Response Inhibition Cortico-cortical and Cortico-subcortical Networks. Biological Psychiatry. 85, (4), 355-363 (2019).
  89. Casula, E. P., Pellicciari, M. C., Picazio, S., Caltagirone, C., Koch, G. Spike-timing-dependent plasticity in the human dorso-lateral prefrontal cortex. NeuroImage. 143, 204-213 (2016).
  90. Veniero, D., Ponzo, V., Koch, G. Paired Associative Stimulation Enforces the Communication between Interconnected Areas. Journal of Neuroscience. 33, (34), 13773-13783 (2013).
  91. Tremblay, S., et al. Clinical utility and prospective of TMS-EEG. Clinical Neurophysiology. 130, (5), 802-844 (2019).
  92. Johnen, V. M., Neubert, F. X., Buch, E. R., Verhagen, L. Causal manipulation of functional connectivity in a specific neural pathway during behaviour and at rest. eLife. 4, 04585 (2015).
  93. Santarnecchi, E., et al. Modulation of network-to-network connectivity via spike-timing-dependent noninvasive brain stimulation. Human Brain Mapping. 39, (12), 4870-4883 (2018).
  94. Bergmann, T. O., Karabanov, A., Hartwigsen, G., Thielscher, A., Siebner, H. R. Combining non-invasive transcranial brain stimulation with neuroimaging and electrophysiology: Current approaches and future perspectives. NeuroImage. 140, 4-19 (2016).
  95. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Screening questionnaire before TMS: An update. Clinical Neurophysiology. 122, (8), 1686 (2011).
  96. Keel, J. C., Smith, M. J., Wassermann, E. M. A safety screening questionnaire for transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 112, (4), 720 (2001).
  97. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord and roots: basic principles and procedures for routine clinical application. Report of an IFCN committee. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 91, (2), 79-92 (1994).
  98. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clinical Neurophysiology. 126, (6), 1071-1107 (2015).
  99. Wassermann, E. M. Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation: report and suggested guidelines from the International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 108, (1), 1-16 (1998).
  100. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety of TMS Consensus Group. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clinical Neurophysiology. 120, (12), 2008-2039 (2009).
  101. Oldfield, R. C. The assessment and analysis of handedness: the Edinburgh inventory. Neuropsychologia. 9, (1), 97-113 (1971).
  102. Villamar, M. F., et al. Technique and Considerations in the Use of 4x1 Ring High-definition Transcranial Direct Current Stimulation (HD-tDCS). Journal of Visualized Experiments. (77), e50309 (2013).
  103. Sack, A. T., et al. Optimizing functional accuracy of TMS in cognitive studies: a comparison of methods. Journal of Cognitive Neuroscience. 21, (2), 207-221 (2009).
  104. Yousry, T. A., et al. Localization of the motor hand area to a knob on the precentral gyrus. A new landmark. Brain. 120, Pt 1 141-157 (1997).
  105. Groppa, S., et al. A practical guide to diagnostic transcranial magnetic stimulation: Report of an IFCN committee. Clinical Neurophysiology. 123, (5), 858-882 (2012).
  106. Cattaneo, L., et al. A cortico-cortical mechanism mediating object-driven grasp in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102, (3), 898-903 (2005).
  107. Hebb, D. O. The organization of behavior: A neurophysiological approach. (1949).
  108. Caporale, N., Dan, Y. Spike Timing-Dependent Plasticity: A Hebbian Learning Rule. Annual Review of Neuroscience. 31, (1), 25-46 (2008).
  109. Markram, H., Lübke, J., Frotscher, M., Sakmann, B. Regulation of synaptic efficacy by coincidence of postsynaptic APs and EPSPs. Science. 275, (5297), 213-215 (1997).
  110. Jackson, A., Mavoori, J., Fetz, E. E. Long-term motor cortex plasticity induced by an electronic neural implant. Nature. 444, (7115), 56-60 (2006).
  111. Koch, G., Ponzo, V., Di Lorenzo, F., Caltagirone, C., Veniero, D. Hebbian and Anti-Hebbian Spike-Timing-Dependent Plasticity of Human Cortico-Cortical Connections. Journal of Neuroscience. 33, (23), 9725-9733 (2013).
  112. Romei, V., Thut, G., Silvanto, J. Information-Based Approaches of Noninvasive Transcranial Brain Stimulation. Trends in Neurosciences. 39, (11), 782-795 (2016).
  113. Carson, R. G., et al. Excitability changes in human forearm corticospinal projections and spinal reflex pathways during rhythmic voluntary movement of the opposite limb. The Journal of Physiology. 560, Pt 3 929-940 (2004).
Mätning och manipulera funktionellt specifika neurala vägar i det mänskliga motorsystemet med transkraniell magnetisk stimulering
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