Login processing...

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

Neuroscience

Transkraniyal Manyetik Stimülasyon ile İnsan Motor Sisteminde İşlevsel Olarak Spesifik Nöral Yolların Ölçülmesi ve Manipüle Edilmesi

doi: 10.3791/60706 Published: February 23, 2020

Summary

Bu makalede, transkraniyal manyetik stimülasyon ile işlevsel olarak spesifik nöral yolları ölçmek ve güçlendirmek için yeni yaklaşımlar açıklanmaktadır. Bu gelişmiş noninvaziv beyin stimülasyon metodolojileri beyin-davranış ilişkilerinin anlaşılması ve beyin bozukluklarının tedavisinde yeni tedavilerin geliştirilmesi için yeni fırsatlar sağlayabilir.

Abstract

Beyin bölgeleri arasındaki etkileşimleri anlamak, hedefe yönelik davranışların incelenmesi için önemlidir. Beyin bağlantısının fonksiyonel nörogörüntüleme biliş gibi beynin temel süreçleri içine önemli bilgiler sağlamıştır, öğrenme, ve motor kontrol. Ancak, bu yaklaşım ilgi beyin alanlarının katılımı için nedensel kanıt sağlayamaz. Transkraniyal manyetik stimülasyon (TMS) geçici beyin aktivitesi değiştirerek bu sınırlama üstesinden gelebilir insan beyninin incelenmesi için güçlü, noninvaziv bir araçtır. Burada, farklı görev bağlamları sırasında insan motor sistemindeki kortiko-kortikal etkileşimleri nedensel olarak inceleyen iki bobinli eşleştirilmiş darbe, çift siteli TMS yöntemi kullanılarak son gelişmeleri vurguluyoruz. Ayrıca, kortikal eşleştirilmiş ilişkilendirici stimülasyona (cPAS) dayalı, birbirine bağlı iki beyin bölgesinde sinaptik verimliliği geçici olarak artıran çift siteli bir TMS protokolünü, iki bobinle tekrarlanan kortikal uyaran çiftleri uygulayarak tanımlıyoruz. Bu yöntemler, bilişsel-motor fonksiyonun altında yatan mekanizmaların daha iyi anlaşılmasını ve beyin devrelerini modüle etmek ve davranışı iyileştirmek için belirli sinir yollarının hedeflenen şekilde manipüle edilmesine yönelik yeni bir bakış açısı sağlayabilir. Bu yaklaşım, beyin-davranış ilişkilerinin daha sofistike modellerini geliştirmek ve birçok nörolojik ve psikiyatrik hastalığın tanı ve tedavisini iyileştirmek için etkili bir araç olabilir.

Introduction

Noninvaziv beyin stimülasyonu umut verici bir değerlendirme aracı ve parkinson hastalığı, Alzheimer hastalığı ve inme1,2,3,4gibi birçok nörolojik bozukluklar için tedavi . Nörolojik hastalıkların davranışsal belirtileri ile kortikal eksilite, nöroplastisite, kortiko-kortikal ve kortiko-subkortikal bağlantıanormallikleriarasındaki ilişkiyi kanıtlayan kanıtlar birikmektedir 5,6. Bu nedenle, nörolojik koşullarda beyin ağı dinamiği ve plastisite hakkında temel bilgi hastalık tanısı, ilerleme ve tedaviye yanıt içine paha biçilmez bir fikir sağlayabilir. Fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme(fMRG) sağlıklı ve hastalıklı beyin ağlarında beyin ve davranış arasındaki karmaşık ilişkileri anlamak için yararlı bir araçtır ve bir ağ perspektifi 7 dayalı tedavi geliştirmek için potansiyele sahiptir7,8,9. Ancak, fMRG doğada korelasyonel ve beyin fonksiyonu ve davranış arasında nedensel bir bağlantı sağlayamaz, ne de hastalarda davranış bozuklukları ile ilişkili anormal nöral devreleri geri fonksiyonel bağlantı manipüle10,11,12. Transkraniyal manyetik stimülasyon (TMS) hem nedensel olarak ölçmek ve insan beyin fonksiyonu ve sağlık ve hastalık davranışı modüle3,13,14,15.

TMS insan beynini uyarmak için güvenli, noninvaziv bir yöntemdir16,17ve plastisiteyi teşvik etmek ve ölçmek için kullanılabilir18. Bu yöntem, bireysel beyin alanları ve davranış arasındaki nedensel ilişkileri anlayışımızı ilerletebilir10,11,12,19ve bir beyin ağının diğer düğümleri ile özel fonksiyonel etkileşimleri20,21,22,23. Bugüne kadar yapılan çalışmaların çoğu, motor korteksin (M1) el bölgesine tms motor davranışı ile ilgili değişiklikler için fizyolojik okumalar olarak motor uyarılmış potansiyelleri (MEP) üretebilir göz önüne alındığında, insan motor sistemi üzerinde duruldu24, insan beyninde sistem düzeyinde farklı inhibitör ve uyarıcı devrelerin incelenmesine izin25. İki bobinli bir koşullandırma testi TMS yaklaşımı kullanılarak yapılan son gelişmeler, farklı kortikal alanlar arasındaki işlevsel etkileşimlerin ölçülmesinin mümkün olduğunu göstermektedir. Motor sistemde, çift siteli TMS deneyleri, M1 ile birbirine bağlı kortikal alanlardan gelen girdilerin görev talepleri, yaş veya hastalıkla değişebileceğini göstermektedir.14,26. Ferbert ve meslektaşları tarafından seminal çalışma diğer M1 bir test uyarıcı önce M1 bir klima uyarıcı uygulanması MEP genlik inhibisyonu neden olabilir buldu, kısa aralık interhemisferik inhibisyon olarak bilinen bir fenomen (SIHI)28. Bu yaklaşımı kullanan bir dizi TMS çalışması da M1 kontralateral M1, ventral premotor korteks (PMv), dorsal premotor korteks (PMd), ek motor alan (SMA), pre-SMA, primer duyusal korteks (S1), dorsolateral prefrontal korteks (DLPFC) ve posterior parietal korteks (PPC) istirahat27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42. İlginçtir ki, bu kortikal bölgelerden gelen stimülasyonun motor kortikal uyarılabilirlik üzerindeki etkisi anatomik, zamansal ve işlevsel olarak bir hareketin hazırlanması sırasında devam eden beyin aktivitesine özgüdir (devlet ve bağlam-bağımlı43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69). Ancak, çift-site TMS kullanarak çok az çalışma beyin bozukluğu olan hastalarda motor ve bilişsel bozukluklar ile fonksiyonel kortiko-kortikal bağlantı desenleri karakterize var70,71,72. Bu değerlendirmek ve motor ve bilişsel bozuklukların tedavisi için yeni yöntemler geliştirmek için fırsatlar sağlar.

Bu tekniği kullanarak, aynı zamanda kortikal TMS tekrarlanan çiftleri karşıt M168,69,70, PMv 76,77,78, SMA71ve PPC80,81,82 gibi M1 ile birbirine bağlı kortikal TMS çiftleri associ plastisite 83 Hebbian ilkesine dayalı belirli nöral yollarda sinaptik verimlilik değişiklikleri neden olabilir bulunmuştur83 ,84,85,86 ve davranışsal performansı geliştirmek72,73,74. Yine de, birkaç çalışma nörolojik bozukluklar2,75,76, 77,78,79,80,81,82,83,84,90,91, 92devre ve plastisite disfonksiyon çalışma için bu yaklaşımı kullandık , 93,94,95,96. TMS ile işlevsel olarak spesifik nöral yolların güçlendirilmesinin işlevsiz devrelerde aktiviteyi geri getirip getiremeyeceği veya bozulmadan devrenin olası güçlendirilmesinin yaşam süresi boyunca ve hastalıkta motor ve bilişsel işlevi destekleyen beyin ağlarında97'nin esnekliği artırıp artırmayacağı gösterilmelidir. Nörolojik bozuklukların altında yatan nöral mekanizmaların temel olarak anlaşılması ve stimülasyonun birbirine bağlı işlevsiz beyin ağları üzerindeki etkileri mevcut tedaviyi sınırlandırmaktadır.

Yeteneğine rağmen, TMS beyin-davranış ilişkileri, beyin bozukluklarının patofizyolojisi ve tedavinin etkinliğini anlamak için nörobilim ve klinik araçların silahlanma standart bir parçası haline gelmiştir. Bu nedenle, potansiyelini gerçekleştirmek ve büyük ölçekli uygulamasını desteklemek için, TMS yöntemlerini standartlaştırmak önemlidir, çünkü gelecekteki TMS deneylerinin sertliğini ve bağımsız laboratuvarlarda tekrarlanabilirliği artırma olasılığı daha yüksektir. Bu makalede, TMS'nin işlevsel etkileşimleri ölçmek ve işlemek için nasıl kullanılabileceğini özetler. Burada, bu tekniği motor sisteminde (örneğin, parieto-motor pathway44)tms tabanlı çıkış ölçülerini (örneğin, MEP'ler) ölçerek tanımlıyoruz. Ancak, bu protokol aynı zamanda diğer subkortikal85, serebellar86,87, ve kortikal alanların hedef fonksiyonel kaplin adapte edilebilir dikkat etmek önemlidir. 73,74,88 Ayrıca, EEG89,90,91 ve fMRI92,93 gibi nörogörüntüleme teknikleri aktivite ve bağlantı da TMS kaynaklı değişiklikleri değerlendirmek için kullanılabilir26,94. Devre düzeyinde kortikal bağlantının bu TMS yöntemleri ile hem sağlık hem de hastalık ta işlevsel katılımının incelenmesinin, beyin-davranış ilişkilerinin daha sofistike ağ modellerine dayalı hedefli tanılar ve yenilikçi tedaviler geliştirilmesini mümkün kılmaktadır.

Protocol

Aşağıdaki üç TMS yöntemi aşağıda açıklanmıştır. İlk olarak, iki yöntem çift siteli transkraniyal manyetik stimülasyon (dsTMS) kullanarak kortiko-kortikal bağlantı ölçmek için açıklanmıştır katılımcılar ya 1) istirahat (dinlenme durumu) veya 2) bir nesne yönelimli erişim-kavrama hareketi gerçekleştirerek ( görev bağımlı). İkinci olarak, kortikal eşleştirilmiş bir assosiyatif stimülasyon (cPAS) yöntemi, fonksiyonel güçlendirmek için kortikal uyaranları (örn. posterior parietal ve primer motor korteksleri) eşleştirerek iki beyin bölgesi arasındaki etkileşimi kontrollü bir şekilde modüle etmek için tanımlanmıştır. TMS ile spesifik nöral yollar ve kortikal uyarılabilirlik değişiklikleri neden. Her yöntem için temsili bir veri kümesi sağlanır. Bu protokolde tanımlanan tüm yöntemler Helsinki Bildirgesi uyarınca Michigan Üniversitesi Kurumsal İnceleme Kurulu tarafından onaylanmıştır.

1. Katılımcı Alımı

  1. TMS95,96,97,98,99,100 ve manyetik rezonans görüntüleme (MRG) işe alınmadan önce herhangi bir kontrendikasyon için tüm katılımcılarekran. Motor sistemindeki işlevsel bağlantıyı araştıran deneyler için sağ elini kullanan101 katılımcıyı işe alayın.
  2. Her katılımcıyı çalışma hedefleri, prosedürleri ve yerel kurumsal inceleme kurulu tarafından onaylanan riskler hakkında bilgilendirmek. Bireyin çalışmaya katılmasına izin vermeden önce yazılı izin alın.

2. Elektromiyografi (EMG) Elektrot Yerleştirme

  1. Katılımcıya, her iki kolu da rahat bir pozisyonda desteklenmiş olarak deneysel sandalyede rahatça oturmasını öğretin. TMS sırasında katılımcılar için uyarılma sırasında baş hareketini minimumda tutmak için bir çene dinlenme sağlayın.
  2. Hafif bir aşındırıcı ile ilgi kas üzerinde cilt temizleyin. Bir göbek-tendon elektrot aranjmanı kullanarak, bir tek kullanımlık Ag-AgCl elektrot göbek kası ve başka bir kemik işareti yakın katılımcının her iki elinde bir referans sitesi için yerleştirin. İlgi çekici her kas için bu adımı tekrarlayın.
  3. Bir zemin elektrotünü ulnar stiloid prosesültüne bağlayın. Bu, EMG sinyalinin empedans kalitesini engellediği için, deney süresince elektrotların deriile yüzey temasının seviyesini incelemek önemlidir. Bantın yüzey elektrotunun üzerine yerleştirilmesi, cilt yüzeyi ile temas derecesini artırabilir.
    NOT: Ulaşıl-kavrama kavrayış eylemleri için ortak kaslar 1) ilk dorsal interosseous (FDI), 2) kaçıran pollicis brevis (APB) ve 3) kaçıran digiti minimi (ADM) el kasları vardır.
  4. Yüzey elektrotlarını Bir EMG amplifikatör ve veri toplama sistemi yle bağlayın. EMG sinyallerini çevrimiçi izleme ve EMG sinyalinin çevrimdışı analizi için EMG yazılımı ile amplifikatörden veri toplama bilgisayarına kaydedin ve saklayın. İsteğe bağlı olarak, EMG sinyalini 1.000x yükseltin ve analogdan dijitale arayüz ile 5 kHz'de sayısallaştırılmış 2 Hz ile 2,5 kHz arasında bant geçiş filtresi kullanın.

3. Hedeflenen TMS için Beyin Alanlarının Lokalizasyonu

  1. Yöntem 1: MRI taraması olmadan yerelleştirme
    1. 10-20 EEG sistem işareti C3 kullanarak, yaklaşık sol primer motor korteks üzerinde bulunan (M1), ve P3, katılımcının kafa derisi üzerinde sol posterior parietal korteks (PPC) açısal girus yaklaşık bir parçası üzerinde bulunan. 10-20 EEG sistemi ile beyin bölgelerini yerelleştirmek için daha önce 102 olarak tanımlanan yöntemlere bakın (Bkz. Villamar ve ark.102'denŞekil 3 ve 4).
    2. Alternatif olarak, bir elektroensefalografi (EEG) baş kapağı kafa derisi üzerinde beyin alanları yaklaşık kullanılabilir. Katılımcının kafasına uygun büyüklükte bir EEG kapağı yerleştirin ve cz pozisyonunu katılımcının kafa derisindeki işaretli Cz konumuyla hizala. Mark C3 ve P3 kapağı kullanarak.
      NOT: Bir bireyin MRI taraması olmadan yerelleştirme yanlış olma potansiyeline sahiptir103. Bu nedenle, MRG tabanlı nöronavigasyon şiddetle TMS hedefleme doğruluğunu ve güvenilirliğini artırmak için tavsiye edilir. Bu potansiyel olarak TMS kaynaklı sonraki etkilerde daha az değişkenliğe yol açabilir.
  2. Yöntem 2: MRI taraması kullanma
    1. TMS oturumundan önce katılımcının yapısal MR'ını (T1) alın. Tbmmayı nöronavigasyon sistemine yükleyin.
    2. Nöronavigasyon yazılımı kullanarak beyin ve deri kaplamaüç boyutlu bir rekonstrüksiyon oluşturun. Burun, nasion, inion ve her iki kulağın preauriküler çentikler ucunda anatomik işaretleri yerleştirin. Kulak tıkacı takıldığında kayabileceği nden tragus kullanmayın.
    3. Sol merkezi girus, M1104karşılık gelen anatomik dönüm noktası, el kolu bulun. Nöronavigasyon sistemi ile bu noktada bir yörünge işareti yerleştirin. Bu nokta orta sagittal çizgiden 45° ve merkezi sulkusa yaklaşık olarak dik olarak hizalanmalıdır. Nöronavigasyon sistemi ile anatomik simgeyi kaydedin ve adlandırın (Şekil 1).
    4. İlgi alanı olmayan (örneğin, PPC'deki ön intraparietal sulkus bölgesi) bulun. Bu anatomik dönüm noktası nın üzerine ikinci bir yörünge işareti yerleştirin. Nöronavigasyon sistemi ile konumu kaydedin ve adlandırın (Şekil 1).
  3. Takip sistemi ile bobin ve kafa kaydı yapma
    1. Nöronavigasyon sistemini kullanarak her iki TMS bobinini kalibrasyon bloğu ile ayrı ayrı kalibre edin.
    2. Baş izleyiciyi katılımcının kafasına güvenli bir şekilde yerleştirin, böylece izleyici deneme süresince görüntüde olur.
    3. Katılımcının kafasındaki anatomik işaretleri nöronavigasyon sistemine kaydedin. Katılımcıdan MR i'i alınmadıysa, Montreal Nöroloji Enstitüsü'nden bir şablon MRI kullanın.
      NOT: Kayıt yaparken rahatsızlık ve yanlışlıkları önlemek için katılımcının cildindeki işaretçiile çok fazla kuvvet uygulamamak önemlidir. Deneme boyunca kafa izleyicisinin değişmediğini düzenli olarak kontrol etmek değerli olabilir. Bu yordamlar, tms bobinini deney sırasında uyarılmak üzere hedef alana uygularken hassasiyet sağlar.

4. Optimal TMS Bobin Pozisyonunun Lokalizasyonu ve Eşiklerin Belirlenmesi

NOT: Bu deneyde, CoilM1 M1'e stimülasyon sağlamak için kullanılan bobini ifade eder, Bobinİki ise diğer kortikal ilgi alanına (örn. posterior parietal korteks) stimülasyon sağlamak için kullanılan bobini ifade eder. Motorsuz alanlar üzerinde kullanılan maksimum uyarıcı çıktısını (MSO) hesaplamak için Bobin2 için M1 üzerinde eşik belirlenmelidir. Denemeler arasında karşılaştırma ve tekrarlanabilirlik sağlamak için motor eşik değerleri rapor edilmelidir.

  1. CoilTwo ile yerelleştirme ve eşik
    1. Bobinİki'nin merkezini, bir önceki bölümde tanımlanan hedef M1 konumu üzerine konumlandırın ve beyinde arka-anterior akım yönünü belirleyin.
    2. Hedef kanın aktivasyonu için en uygun yeri bulmak için, makinenin MSO'sunun %30'unda M1'e darbeler getirin. Teslim edilen stimülasyonun bir kas seğirmesi üretip üretmediğini gözlemleyin ve veri toplama sistemi tarafından görüntülenen kas aktivitesinden EMG elektrotları ile kaydedilen motor uyarılmış potansiyelin (MEP) genliğini belirleyin.
    3. Bir MEP veya görünür bir kas seğirmesi gözlenmezise, uyarıcı çıkışını %5'lik artışlarla artırmaya devam edin. TMS bobininin konumu, rotasyonu, eğimi ve yaw'ı MEP'nin genliğini optimize etmek için ayarlanması gerekebilir. Yanıt gözlemlenene kadar bunu tekrarlayın.
    4. Katılımcı istirahat97,98,105ise ≥50 μV genlik ile 10 MEP yanıtları en az 5 üreten en düşük yoğunluğu adım adım bir şekilde düşük . Bu dinlenme motor eşiği (RMT) olarak tanımlanır.
    5. Eşik oturumu boyunca her iki elin de yastıklarla desteklenen iki kolu ve elleri ile dinlenme pozisyonunda olduğundan emin olun.
    6. Özellikle aşırı kas aktivitesi (örn. yaşlı yetişkin popülasyonlar) varsa, seans boyunca EMG'den (örn. monitör veya hoparlörde) kas aktivitesi hakkında gerçek zamanlı görsel veya işitsel geri bildirim sağlayın.
    7. Sürekli konfor düzeyleri hakkında katılımcı sormak.
      NOT: Farklı boyutlu bobinler için deneyde kullanılan belirli parametreleri belirlemek için (örn. optimal TMS bobin konumunun lokalizasyonu ve belirlenmesi) her TMS bobini için yukarıda açıklanan tüm prosedürlerin ayrı ayrı ve tekrarlanmış olması önemlidir. motor eşik için stimülasyon yoğunlukları). Kortikal uyarılabilirlikte değişiklik yapılmasını önlemek için TMS darbeleri arasındaki aralığın >5 s olması da önemlidir.
  2. CoilM1 ile lokalizasyon ve eşik
    1. CoilM1ile en uygun stimülasyon konumunu bulmak için yukarıda açıklanan adımları tekrarlayın.
    2. Kas tamamen rahat olduğunda hedef el kası 10 çalışmaların 5 ≥1 mV MEPs oluşturmak için gerekli en düşük uyarıcı yoğunluğunu belirleyin. Nöronavigasyon sistemini kullanarak CoilM1'in konumunu işaretleyin ve kaydedin.

5. Çift siteli TMS (Dinlenme Durumu)

  1. İki ayrı TMS uyarıcıya (örn. iki Magstim 2002 adet) bağlı iki şekil-8 şekilli bobin (örneğin, BobinM1 ve Bobinİki)kullanın. Test uyaranlarını (TS) M1 üzerinde BobinM1 (örneğin, D70² şekil-8 şekilli bobin, döngü nün dış çapı 7 cm) ve kondisyon uyaranlarını (CS) Bobin2 ile diğer ilgi alanına (örneğin, D50 Alpha B.I., her döngünün dış çapı 5 cm) ile sunun.
  2. CoilTwoiçin koşullandırma uyaran (CS) için MSO yoğunluğunun yüzdesini belirleyin.
    NOT: MSO yoğunluğunun yüzdesi genellikle RMT'nin 70-140'ı arasındadır ve deneyin belirli parametrelerine ve hedeflerine bağlıdır (Bkz. Tablo 3, Lafleur ve ark.14). Bu deney için, CS RMT% 90 olarak ayarlandı, başka bir yerde kullanılan parametrelere benzer35,44,60.
  3. Test uyarıcı (TS) için, hedeflenen quiescent el kası ~ 1 mV MEP genlikleri ortaya çıkarır önceden belirlenmiş yoğunluğu kullanın.
  4. CS ve TS arasındaki kesin interstimulus aralığını (ISI) ayarlayın.
  5. İki darbe için ISI'yi kontrol etmek için TTL darbeleri ile sağlanan kontrol yazılımını veya harici kontrolü kullanın. ISI genellikle 4-20 ms arasında değişmektedir (Bkz. Tablo 1, Lafleur ve ark.14). Bu deney için, CS'den PPC'ye 5 ms'lik bir ISI ile TS'den M1'e kadar önceki.
  6. Özel yapım kodlama komut dosyası kullanarak, belirtilen ISI'da tek darbeli TMS denemeleri (yalnızca TS) ve eşleştirilmiş darbe TMS denemelerini (CS-TS) rasgele sırayla oluşturun.
  7. BobinM1'i sol M1 üzerinde konumlandırın ve CoilTwo'yu diğer ilgi alanına yerleştirin.
  8. CoilM1ile TS tek başına denemeler teslim. Eşleştirilmiş darbe (CS-TS) denemeleri için, CS'yi Bobinİki ile ve ardından TS'den BobinM1'e önceden belirlenmiş ISIs'te teslim edin. Bu Şekil 2'degösterilmiştir. Her koşul için en az 12 denemeyi tekrarlayın. Prestimulus EMG aktivitesi toplamak için deneme başladıktan sonra en az 1 s TS teslim. Her deneme için 4 s veri toplama süpürme ve ardından 1 s deneme ler arası aralık kullanın.
  9. Gerekirse, TMS bobin pozisyonlarını, her iki bobinin katılımcının kafasına seçilen hedeflenen yerlerin üzerine yerleştirilmesi için hafifçe ayarlayın. Buna göre nöronavigasyon sistemi kullanarak CoilM1 ve CoilTwo'nun yeni konumunu ayarlayın ve kaydedin.
  10. Programlanmış TMS darbeleri sunmak için verilen kontrol yazılımı veya harici denetleyiciden özel kodlama komut dosyası için TMS makinesindeki tetik düğmesini kullanın.
    NOT: Bu deney için, uyarıcı oluşturmak, verileri yakalamak, harici ekipmanı kontrol etmek ve analizi yürütmek için bir veri toplama sistemi (örneğin, CED Micro 1401) ve yazılım paketi (örneğin, Sinyal sürüm 7) kullanılmıştır. Denemelerden gelen verileri çalıştırmak ve çözümlemek için kullanılan özel leştirilmiş kodlama komut dosyaları ilgili yazardan edinilebilir.

6. Çift siteli TMS (Görev Bağlamı)

NOT: Çift siteli TMS, istirahatte işlevsel bağlantının farklı görev bağlamları tarafından modüle edilip edilemeyeceğini test etmek için de kullanılabilir.

  1. M1'e bağlı farklı kortikal alanlar arasındaki işlevsel etkileşimleri incelemek için yukarıdaki bölümde açıklanan yöntemi uygulayın, ancak ağı meşgul eden bir görevin hazırlık aşamasında (örn. bir kavrama eylem planı sırasında).
  2. Karmaşık bir hareket planının hazırlanması sırasında M1 ile işlevsel etkileşimleri incelemek için zaman rotasını ve kortikal bir ilgi alanını (örn. PPC) belirleyin (örn. nesne odaklı hassas kavrama veya tam elle kavrama 43 ,44,45,46,47,48,49,106) seçici el kasları için.
  3. Özel yapım kodlama komut dosyası kullanarak, rastgele sırayla TS tek başına denemeler ve eşleştirilmiş darbe denemeleri (CS-TS) belirli bir ISI'de reaksiyon süresi (plan aşamasında) sırasında 'GO' işareti sonra mep kayıtları hareketten önce toplanır zamanlama oluşturmak görev için başlatma (hareket öncesi dönem).
  4. Tek darbeli TMS (TS tek başına) veya eşleştirilmiş darbe TMS (CS-TS) probları 'GO' işaret47sonra 50 ve 800 ms arasında karmaşık el hareketlerinin eylem planısırasında teslim. Bu deneme için olayla ilgili bir denemenin zamanlaması için Şekil 3'e bakın. Etkinlikle ilgili denemelerin zamanlamasını çalıştırmak için kullanılan özel leştirilmiş kodlama komut dosyaları ilgili yazardan edinilebilir.
    1. TMS ile test oturumundan önce, katılımcının tutarlı bir tepki süresi oluşturmak için en az 50 alıştırma denemesi için görevi gerçekleştirmesini sorun. TMS ile test oturumu sırasında güvenilir performans sağlamak için katılımcıyı görev hakkında sorular sormaya teşvik edin.
    2. Tepki süresi (plan aşaması) sırasında tek darbeli TMS (yalnızca TS) veya eşleştirilmiş darbe TMS (CS-TS) ve görev (örn. daha küçük bir üst nesneyi kavramak veya daha büyük bir alt nesneyi kavramak) tüm kombinasyonlarını sunmak için özel yapım kodlama komut dosyasını kullanın gerçek hareket başlatma önce toplanır.

7. Kortikal Eşleştirilmiş Eşleştirmeli Stimülasyon (cPAS)

NOT: Bu protokol, insan beyni içindeki bağlantılar arasındaki sinaptik mukavemetinde yola özgü değişikliklere yol açmak için kısa süreler içinde iki farklı kortikal alana monofazik darbe çiftleri ile teslimatı içerir. Bu yaklaşım başak zamanlama bağımlı plastisite Hebbian ilkelerine dayanmaktadır107,108,109,110. Çift alanlı TMS yöntemlerine benzer şekilde, cPAS iki farklı kortikal alanda (örneğin, PPC ve M1) iki ayrı TMS bobinine bağlı iki TMS makinesi ile teslim edilir.

  1. Özel yapım kodlama komut dosyası kullanarak, 0,2 Hz (her biri 8,3 dk süre) ile 100 çift uyaran oluşturun. Deneysel cPASTwo→M1 durumu için, motorsuz alan (örneğin, PPC) üzerinde, belirli bir darbeyoğunluğuna sahip (örneğin, %90 RMT) ile 5 ms'lik ikinci uyaranlardanönce, Hedeflenen el kaslarında ~1 mV'lik bir MEP genliği ortaya çıkan darbe yoğunluğu ile M1 üzerindeki ikinci uyaranlardan önce ilk uyaranları (örn.
  2. Kontrol etmek önemlidir: 1) bağlantının yönlülüğü (CTRLM1→İki); 2) zamanlama (CTRLISI=500ms); ve 3) stimülasyon sitesi (CTRL Kontrol sitesi→M1)ayrı seanslarda. Örnekler içinbkz: 72,74,111,112. Her cPAS koşulu için özel leştirilmiş kodlama komut dosyaları ilgili yazardan edinilebilir. Stimülasyon parametreleri (örn. yoğunluklar ve ISI) farklı kortikal alanlar için ayarlanabilir. Plastisite protokollerinin özeti için Lafleur ve ark.14'ten Tablo 2'ye bakın.
  3. TMS bobinlerinin tam konumunu yönlendirmek için önceki bölümlerde açıklanan yordamları kullanın.
  4. CoilM1 (örneğin, ~24 MEPs) ile temel kortikospinal ölçümler elde edin.
  5. Katılımcıları dört müdahale grubundan birine randomize etmek: 1) cPAS Two→M1; 2) CTRLM1→İki; 3) CTRLISI=500ms; 4) CTRL Kontrol sitesi→M1.
  6. Bu deney için sadece deneysel cPAS Two→M1 durumu test edilmiş ve PPC ilgi alanı olarak kullanılmıştır. Aynı katılımcı üzerinde birden fazla oturum gerçekleştirirken, çapraz geçiş etkilerini önlemek için her deney oturumunun rastgele sırayla en az 48 saat olarak ayrılması önemlidir. Ayrıca, uyanıklığı denetlemek için her katılımcının oturumlarını günün aynı saatinde yinelemek de önemlidir.
  7. Belirtilen cPAS koşulunu sunmak için özel yapım kodlama komut dosyasını kullanın.
  8. EMG ile deney sırasında diğer (sol) elin kas aktivitesini izleyerek protokolün sırasında elin tamamen rahat olduğundan emin olun.
  9. CPAS'tan sonra farklı zamanlarda BobinM1 (örneğin, yaklaşık 24 MEPs) ile kortikospinal ölçümler elde edin (örn. 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 dk) Beyin uyarılabilirliği üzerindeki TMS kaynaklı etkinin zaman rotasını incelemek için.
    NOT: Burada kullanılan deneysel protokol Şekil 4'tegösterilmiştir. MEP güvenilir bir sonuç ölçüsü olduğu için bugüne kadar yapılan çalışmaların çoğu motor sistemine odaklanmıştır. Ancak davranışsal önlemler72,73,74 ve fonksiyonel bağlantı gücü ile fMRI92,93 ve EEG89,90 ilişkilendirici plastisitenin TMS manipülasyonu ile de araştırılabilir. Bu yöntemler kortikal hedef olarak M1 içermeyen farklı kortikal alanlar için de kabul edilebilir.

8. Veri İşleme ve Analizi

  1. Görsel olarak EMG verilerini çevrimdışı inceleyin ve kaslarda kök ortalama kare EMG aktivitesi 100 ms sırasında 100 ms'lik bir arka plan seviyesini aştığı kas aktivitesini gösteren izleri atın ve kasların istirahatte olduğundan emin olmak için59,113.
  2. Benzer şekilde, hareket hazırlama döneminde TMS darbesi ile çakışan EMG aktivitesi ile yapılan tüm denemeleri atın (örn. 800 ms pencere47,49) önleyen yanıtları dışlamak için çift siteli TMS görev bağlamı denemelerinde.
  3. Her MEP denemesi için, TS105'tenönce 50 ms ile 100 ms arasındaki zaman penceresindeki mV'deki minimum ve maksimum değerler arasındaki en tepeye genliği ölçün.
  4. Tek başına TS deneylerinden milivoltcinsinden MEP genliklerinin ortalamasını ve her katılımcı için eşleştirilmiş nabız (CS-TS) denemelerini hesaplayın. Tüm katılımcılar arasında ortalamayı hesaplayın. Bu değerleri bildirin.
  5. Daha sonra, her katılımcı ve durum için koşulsuz tek nabız (ts tek başına) çalışmalarından eşleştirilmiş darbe stimülasyonu (CS-TS) çalışmalarından ortalama MEP genliğini normalleştirin. MEP genliklerini temel TS durumuna göre bir oran olarak ifade edin.

Equation 1

  1. Tüm katılımcılar arasında ortalamayı hesaplayın. Bu değerleri bildirin.

Representative Results

Şekil 5, katılımcı istirahatteyken (üst panelde) veya bir nesneye (alt panel) hedefe yönelik kavrama eylemi planlarken, koşulsuz bir test uyaranları (TS'den M1'e, mavi iz) veya PPC'den koşullu uyaranlar (TS- mavi iz) için TMS tarafından DYY kaslarında ortaya çıkan örnek bir MEP yanıtının boyutunu gösterir. Istirahatte, PPC ipsilateral M1 üzerinde inhibitör etkisi uygular, MEP genlikleri azalma gösterildiği gibi PPC üzerinden teslim bir alt eşik CS tarafından potentiated 5 ms M1 üzerinde bir suprathreshold TS önce (üst panel). Bir kavrama eylem hazırlanması sırasında, PPC dinlenme bu net inhibitör sürücü kolaylaştırma (inhibisyon bir sürümü) geçti. Dinlenme sırasında PPC-M1 etkileşimlerini görev taleplerine karşı doğrudan karşılaştırmak için, MEP genlikleri her koşul için TS tek başına denemelere normalleştirildi ve MEP genliği için bir oran olarak çizildi. PPC-M1 etkileşimi, nesne yönelimli bir kavrama (mor çubuklar) planlanırken dinlenmeden kolaylaştırılmıştı.

Şekil 6'daki üst panelde cPAS protokolünün uygulanması sırasında MEP genliklerinde değişiklikler gösterilmektedir. PPC ve M1 eşleştirilmiş stimülasyon tarafından indüklenen MEP genlikleri yavaş yavaş stimülasyon protokolü sırasında zaman içinde artmıştır, parieto-motor bağlantı düzeyinde plastik etkileri düşündüren, M1 kortikospinal nöronlar, ya da her ikisi. Şekil 6'nın alt paneli, cPAS protokolünden önce ve sonra M1 üzerinde tek nabız TMS ile istirahat eden Ddy kaslarında ortaya çıkan MEP genliklerinde değişiklikler göstermektedir. MEP genliklerinin büyüklüğü cPAS protokolünden sonra 10 dakika artarak, PPC ve M1 üzerinde tekrarlanan kortikal uyaran çiftlerin uygulanmasından sonra motor uyarılabilirlik sonrası etkilerinin indüklenmiş olduğunu düşündürmektedir.

Figure 1
Şekil 1: Sol yarımkürede primer motor korteks (M1, mavi sembol) ve posterior parietal korteks (PPC, kırmızı sembol) üzerinde işaretli kortikal bölgeleri olan tipik bir katılımcının anatomik MRG'sinin üç boyutlu rekonstrüksiyonu. TMS için nöronavigasyon yazılımı her şekil-8 TMS bobini ile ayrı ayrı belirlenen kortikal alanları hedeflemek için kullanılmıştır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Şekil 2: Posterior parietal korteks (PPC) ve primer motor korteks (M1) arasındaki fonksiyonel etkileşimleri araştırmak için kullanılan iki bobinle çift alan, eşleştirilmiş darbe transkraniyal manyetik stimülasyonun şematik gösterimi (istirahat hali). Bir CS M1 sonraki suprathreshold TS üzerindeki etkisini incelemek için PPC uygulandı. TMS sağ kas yanıtı genlik herhangi bir değişiklik EMG ile ölçülür. Bu deney için, CS yoğunluğu RMT% 90 idi. TS yoğunluğu rahat DYY ve ADM ~1 mV tepe-to-peak bir MEP ortaya çıkarmak için ayarlandı. Bakliyat arasındaki ISI 5 ms. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görmek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Şekil 3: Bir erişim-kavrama hareketi (görev bağlamı) sırasında PPC ve M1 arasındaki işlevsel etkileşimleri araştırmak için kullanılan dsTMS yaklaşımı. Bir LED'in aydınlatması katılımcıya hedef nesne üzerinde iki olası sağ dan birini planlamasını emretti: 1) daha küçük üst silindiri kavramak veya 2) daha büyük alt silindiri kavramak. TS tek başına veya CS-TS belirtilen ISI (örneğin, 5 ms) 300 ms 'GO' işareti (örneğin, LED başlangıç) reaksiyon süresi (plan aşamasında) sonra mep kayıtları gerçek hareket başlatma (noktalı siyah çizgi) önce toplandı sonra teslim edildi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 4
Şekil 4: Fonksiyonel olarak spesifik nöral yolları güçlendirmek için kullanılan kortikal eşleştirilmiş assosiyatif stimülasyon protokolünün (cPAS) şeması. İlk uyarıcı Bobinİki ile ilgi alanına uygulandı (örneğin, PPC, kırmızı bobin) 5 ms ikinci uyarıcı M1 teslim edilmeden önce (mavi bobin) CoilM1ile . Kortikal uyaran çiftleri 0.2 Hz (her 5 s) frekansta teslim edildi ve 100 denemede tekrarlandı (~8.3 dk). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 5
Şekil 5: Koşulsuz bir test uyarıcı (TS tek başına, mavi iz) veya koşullu uyarıcı (CS-TS, kırmızı iz) dinlenme durumu (üst panel) ve bağlam bağımlı (alt panel) koşulu için örnek MEP izleri. Çubuk grafikler, katılımcı istirahatteyken veya kavrama görevi (eylem) yaparken dsTMS protokolündeki MEP genliklerini gösterir. Katılımcı istirahatteyken (üst panel), CS-TS (kırmızı çubuk) tek başına koşulsuz TS 'ye (mavi çubuk) kıyasla MEP'lerin ortalama genliğini (inhibisyonu) azalttı. Buna karşılık, katılımcı erişim-kavrama görevi (alt paneli) planladığında, cs-TS (kırmızı çubuk) denemeleri için ortalama MEP genliği (kolaylaştırılması) ts tek başına (mavi çubuk) denemelere göre artmıştır. Dinlenme ile eylem durumu için PPC-M1 etkileşimini doğrudan karşılaştırmak için, eşleştirilmiş nabız stimülasyonu (CS–TS) tarafından ortaya çıkan ortalama MEP genliği, ortalama koşulsuz MEP genliğine (sadece TS) göregenlik oranı hesaplanarak normalleştirildi. Mor çubuklar her durum için normalleştirilmiş MEP genliğini temsil edersiniz. Y = 1, CS'nin M1 uyarılabilirliği (noktalı siyah çizgi) üzerinde hiçbir etkisini göstermezken, 1'den yüksek oranlar M1 uyarılabilirliğinin arttığını ve 1'den düşük oranlar koşullu uyaranlar (CS-TS) nedeniyle M1 uyarılabilirliğinin azaldığını gösterir. Hata çubukları SEM.'yi temsil eder. Bu şeklin daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 6
Şekil 6: cPAS sırasında MEP'ler. Üst panel, cPAS'ın uygulanması sırasında MEP genliklerinin arttığını göstermektedir. Alt takimda cPAS protokolünün MEP genliği üzerindeki etkisi gösterilmektedir. CPAS müdahalesi (kırmızı çubuk) sonrası kortikospinal uyarılabilirlik 10 dakika sonra artmıştır (koyu gri çubuk) bazal göre (açık gri çubuk), quiescent el kaslarında MEPs tarafından değerlendirildiği gibi. Kırmızı çubuk eşleştirilmiş stimülasyon müdahalesi temsil eder, cPAS (0.2 Hz 100 çift, ~ 8.3 dk). Bu, parieto-motor etkileşimlerinin cPAS ile modüle edilmesinin motor plastisitede geçici değişikliklere yol açabileceğini düşündürmektedir. Hata çubukları SEM.'yi temsil eder. Bu şeklin daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Discussion

Burada açıklanan çift siteli TMS yöntemi, bir katılımcı istirahatte yken veya hedefe yönelik bir eylem planlarken, birincil motor korteksle bağlantılı farklı kortikal alanlar arasındaki fonksiyonel etkileşimleri araştırmak için kullanılabilir. Beyin görüntüleme sorkan etiolmakla birlikte, çift siteli TMS yöntemlerinden elde edilen temel bilgiler kortiko-kortikal devrelerde ki değişikliklerle ilişkili nedensel beyin davranışı ilişkilerini ortaya çıkarabilir. Buna ek olarak, hareket kontrolü için işlevsel olarak spesifik bağlantı güçlendirmek ve plastisite indükleme verimliliğini artırmak için M1 ile bağlantılı alanlarda uygulanan iki TMS bobini ile kortikal eşleştirilmiş ilişkilendirici stimülasyon kullanılabilir. Bu yöntemler birlikte ele alındığında, bu TMS protokollerinin motor sistem içinde anatomik, görev ve zamana bağlı bir şekilde beyin bölgeleri arasında temel bilgi akışının altında yatan nöral aktiviteyi ölçebileceğini ve manipüle edebildiğini göstermektedir. Bu motor fonksiyon kortikal alanların nedensel katkısı ile ilgili farklı hipotezler test etmek için fırsatlar sağlar.

Bu ışıkta, bu yaklaşım aynı zamanda benzer semptomu olan nörolojik ve psikiyatrik hastalarda sistem düzeyinde ağ bağlantısını anlamak için gerekli bir temel imal edebilir ve devre disfonksiyonunu teşhis etmek ve tedavi etmek için hem bir araç olarak kullanılmasını sağlar. Bu nedenle, daha fazla çalışma için motor sistem dışında diğer kortikal alanları keşfetmek için hem sağlıklı hem de hastalıklı beyinlerde beyin ağları arasında genelleştirilebilirlik test etmek için önemlidir. Bu önemli bir faktör bir beyin bölgesinde TMS yanıtı başka bir bölgeye uygulandığında aynı fizyolojik etkiyi üretecek varsayılamaz göz önüne alındığında. Ayrıca, bu yordamların daha karmaşık hareketlere ve biliş, algı ve ruh hali gibi hareketin dışındaki diğer etki alanlarına genişletilebildiği de avantajlıdır. Nitekim, çift site TMS ve cPAS kullanarak çeşitli çalışmalar da etkileri ve görsel ve bilişsel sistemlerde çalışmanın fizibilite incelemek için başlamıştır73,74,88. Daha da önemlisi, bu motor beyin aktivitesi bağlayan nöral temelleri daha sofistike bir anlayış geliştirmek için fırsatlar göze alacak, bilişsel, ve duygusal fonksiyon. Sonuç olarak, bu protokollerin gelecekteki klinik ortamlarda uygulanmasının yararlılığı belirlenmeden önce hasta popülasyonlarında nöral devre dinamiği hakkında sağlam bir mekanistik bilginin araştırılması önemlidir.

Her ne kadar artan kanıtlar TMS'nin Parkinson hastalığı, Alzheimer hastalığı ve inme gibi nörolojik ve psikiyatrik bozukluklarda sinaptik disfonksiyon ve plastisiteyi karakterize edebilen yeni bir yaklaşım olduğunu düşündürse de, bunların klinik faydası değerlendirmelerin daha büyük ölçekte belirlenmesi gerekmektedir. Ayrıca, bugüne kadar hasta popülasyonlarında yapılan tüm çalışmalar sadece fonksiyonel devrelere odaklanmış tır. Çift alanlı TMS ile gelecekteki çalışmaların, özellikle hastaya meydan okunduğunda, değiştirilmiş beyin dinamiklerinin belirli motor, bilişsel ve duygusal etkilere nasıl katkıda bulunduğu konusunda bilgi boşluklarını doldurmak için devlet ve göreve bağlı etkileri göz önünde bulundurması hayati önem taşımaktadır. fonksiyon bozuklukları. Daha da önemlisi, bu ayar, hem kayıt hem de nöral aktivite manipüle ederek fonksiyonel beyin devreleri ve plastisite noninvaziv çalışma için benzeri görülmemiş fırsatlar sağlar. Bu sonunda beyin bozuklukları için yeni klinik tedaviler tercüme edilebilir.

Bu klinik gelişmeleri bekleyen kritik bir ilk adım, bağımsız laboratuvarlarda kolayca konuşlandırılabilen ve paylaşılabilir iyi tanımlanmış metodolojik prosedürler sunarak TMS deneylerinin katılığını ve tekrarlanabilirliğini artırmaktır. Yukarıda açıklanan TMS prosedürleri için aşağıdaki yönergeler bulguların tasarımını, uygulanmasını ve kesinliğinin standartlaştırılmasına yardımcı olabilir. İlk olarak, yoğunluk, süre, ISI, zamanlama, bobin pozisyonu ve anatomik konumlar gibi stimülasyon parametreleri, büyük ölçekli test ve uygulamaları teşvik etmek için aynı görev bağlamında dikkatle belgelenmeli ve tekrarlanmalıdır. İkinci olarak, beyin hedefleri tam davranış ile ilişkili beyin devreleri içinde beyin aktivitesi yakalamak net anatomik ve fonksiyonel kriterlere göre tanımlanmış olmalıdır. Üçüncü olarak, nöronavigasyon beyin devreleri hedefleyen TMS bobin yerleşimi rehberlik etmek için kullanılmalıdır. Ayrıca, deneylerin hipoteze dayalı olması ve değişikliklerin görev bağlamıyla seçici olarak ilişkili olmasını sağlamak için hem bir kontrol görevi hem de stimülasyonun spesifik olmayan etkisini ekarte etmek için putatif hedefli ağın dışındaki bir kontrol beyin sitesi olarak kullanılması önerilir. Dördüncü olarak, gelecekteki klinik ortamlarda bu yöntemlerin tanısal doğruluğunu ve terapötik etkinliğini daha iyi bilgilendirmek için, temel araştırmaların, altta yatan patolojik değişiklikleri ve tedavinin etkisini daha iyi karakterize etmek için TMS ölçülerini ve manipülasyonları nörogörüntüleme ve davranışsal önlemlerle birleştiren çok modal bir yaklaşım kullanması gerekecektir. Beşinci olarak, müdahalelerin farklı beyin bölgeleri için nasıl optimize edilebildiği ve bireysel patofizyolojik mekanizmalara dayalı yeni tedavilere yol açabileceği konusunda önemli bilgiler sağlayabileceğinden, çift siteli TMS yöntemleri kullanılarak bireysel yanıtların değişkenliğinin rapor edilmesi gerekmektedir. Son olarak, araştırmacıların bulguları rapor ederken şeffaf olması ve örneklem boyutlarını artırmakve daha verimli bilimi teşvik etmek için verileri yorumlamak için herkese açık hale getirmeleri gerekmektedir. Bu kapsamlı yaklaşım, gelecekteki temel nörolojive klinik çalışmalara rehberlik edecek verilerin toplanması ve analizinde katılığı ve tekrarlanabilirliği artıracaktır. Sonuç olarak, bu deneysel tasarım iyileştirmeler sağlayacak ve hedeflenen tedavileri optimize, böylece nörolojik ve psikiyatrik bozukluklar morbidite ve bozuklukları azaltarak.

Disclosures

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgments

Bu çalışma Michigan Üniversitesi: MCubed Scholars Programı ve Kinesiyoloji Okulu tarafından desteklenmiştir.

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).
Transkraniyal Manyetik Stimülasyon ile İnsan Motor Sisteminde İşlevsel Olarak Spesifik Nöral Yolların Ölçülmesi ve Manipüle Edilmesi
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