経頭蓋磁気刺激によるヒト運動系における機能的特異的神経経路の測定と操作

非侵襲的脳刺激は、パーキンソン病、アルツハイマー病、脳卒中^{1、2、3、4}などの多くの神経疾患に対する有望な評価ツールおよび治療法です。神経疾患の行動症状と皮質興奮性、神経可塑性、皮質皮質および皮質皮質皮質下接続性^5,6の異常との関係を確立する証拠が蓄積されている。したがって、神経学的状態における脳ネットワークダイナミクスと可塑性に関する基本的な知識は、疾患診断、進行、および治療への応答に関する貴重な洞察を提供することができる。機能的磁気共鳴画像(fMRI)は、健康な脳ネットワークと病気の脳ネットワークの両方における脳と行動の複雑な関係を理解するのに有用なツールであり、ネットワーク視点^7、8、9に基づいて治療を改善する可能性を有する。しかし、fMRIは本質的に相関性があり、脳機能と行動との因果関係を提供できず、また、患者^10、11、12の行動障害に関連する異常な神経回路を回復させる機能接続性を操作することもできない。経頭蓋磁気刺激(TMS)は、健康および疾患におけるヒト脳の機能および行動を因果的に測定し、調節することができる^{3、13、14、15。}

TMSは、人間の脳を刺激する安全で非侵襲的な方法です^16,17そして、可塑性を誘導し、測定するために使用することができる¹⁸.この方法は、個々の脳領域と行動との因果関係の理解を進めることができる^10,11,12,19脳ネットワークの他のノードとの特定の機能的相互作用^20,21,22,23.これまでの研究では、運動皮質(M1)の手領域へのTMSが、運動行動に関連する変化の生理学的読み出しとして運動誘発電位(MEP)を生み出すことができることを考えると、ほとんどの研究はヒト運動システムに焦点を当ててきた²⁴、人間の脳のシステムレベルで異なる阻害回路と興奮性回路の検査を可能にする²⁵.2つのコイルを用いたコンディショニングテストTMSアプローチを用いた最近の進歩は、異なる皮質領域間の機能的相互作用を測定することが可能であることを示している。モーターシステムでは、デュアルサイトTMS実験は、M1と相互接続された皮質領域からの入力がタスクの要求、年齢、または病気によって変化できることを示しています^14,26.Ferbertたちの研究グループは、他のM1の試験刺激の前にM1にコンディショニング刺激を加えることで、短い間隔間突起抑制(SIHI)として知られる現象であるMEP振幅の阻害をもたらすことを発見した。²⁸.このアプローチを用いた多くのTMS研究は、M1が対側M1、腹側前運動前皮質(PMv)、後部運動前皮質(PMd)、補助運動領域(SMA)、プレSMA、一次感覚皮質(S1)と強く相互接続されていることも示している。後側前頭前野(DLPFC)、および後頭頂皮質(PPC)安静時^{27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42}.興味深いことに、これらの皮質領域からの刺激が運動皮質興奮性に及ぼす影響は、運動の準備中に進行中の脳活動に対して解剖学的、時間的、機能的に特異的である(状態および文脈依存性^{43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69}).しかし、二重部位TMSを用いた研究は、脳障害患者における運動および認知障害を伴う機能的なコルチコ・コルチコ接続性のパターンを特徴付けている。^70,71,72.これは、運動障害および認知障害を評価および治療するための新しい方法を開発する機会を与える。

この技術を用いて、M1と相互接続された皮質領域(M1 68、69、70、PMv76、77、78、SMA^71、PPC80、81、82)などのM1と相互接続された皮質TMSの繰り返しペアが、ヘビアン原理に基づく特定の神経経路におけるシナプス効率の変化を誘発することも発見された。、84、85、86と行動性能を向上させる72、73、74 。それでも、神経疾患^{2、75、76、77、78、78、80、81、82、83、84、90、92、}神経障害の回路および可塑性機能不全を研究するために、このアプローチを使用^している研究はほとんどありません^{93、94、95、96}.TMSを用いて機能的に特異的な神経経路を強化することが機能不全回路の活性を回復させるのか、あるいは、無傷の回路の前向きの強化が、寿命を超えて病気の運動機能と認知機能を支える脳ネットワークの回復力⁹⁷を増強できるかどうかはまだ示されている。神経疾患の根底にある神経メカニズムの基本的な理解の欠如と、相互接続された機能不全脳ネットワークに対する刺激の影響は、現在の治療を制限する。

その能力にもかかわらず、TMSは脳と行動の関係、脳障害の病態生理学、および治療の有効性を理解するための神経科学と臨床ツールの軍備の標準的な部分にはまだなっていません。そのため、そのポテンシャルを実現し、大規模なアプリケーションをサポートするためには、TMSの将来の実験の厳しさを増し、独立した研究室で再現性を高める可能性が高いため、TMS法の標準化が重要です。この記事では、TMS を使用して機能相互作用を測定し、操作する方法について説明します。ここでは、この手法を、TMSベースの出力測定(例えばMEP)を測定することによってモータシステム(例えば、パリエートモータ経路⁴⁴⁾で説明する。しかし、このプロトコルは、他の皮質下^85、小脳^86、87、および皮質領域の標的官能結合にも適合できることに注意することが重要である。^73,74,88加えて、脳光腺89、90、91およびfMRI⁹²などの神経イメージング技術は^、TMSによる活性および接続性の変化を評価するために使用することができる^26、94。我々は、これらのTMS方法を用いた回路レベルの皮質接続性の機能関与の研究は、脳行動関係のより高度なネットワークモデルに基づいて標的型診断および革新的な治療法を開発することを可能にすることを提案することによって締めくくる。