Måling og manipulering funksjonelt spesifikke nevrale veier i det menneskelige motorsystemet med transkraniell magnetisk stimulering

Ikke-invasiv hjernestimulering er et lovende vurderingsverktøy og behandling for mange nevrologiske lidelser, som Parkinsons sykdom, Alzheimers sykdom og hjerneslag^1,2,3,4. Det er akkumulerende bevis som etablerer forholdet mellom atferdsmessige manifestasjoner av nevrologiske sykdommer og abnormiteter av kortikal spenning, nevroplastisitet, kortiko-kortikal og kortiko-subkortikal tilkobling^5,6. Derfor kan grunnleggende kunnskap om hjernenettverksdynamikk og plastisitet i nevrologiske tilstander gi uvurderlig innsikt i sykdomsdiagnose, progresjon og respons på terapi. Funksjonell magnetisk resonansavbildning(fMR) er et nyttig verktøy for å forstå de komplekse relasjonene mellom hjerne og atferd i både sunne og syke hjernenettverk og har potensial til å forbedre behandlingen basert på et nettverksperspektiv^7,8,9. F MRer imidlertid korrelasjonell i naturen og kan ikke gi en årsakssammenheng mellom hjernefunksjon og atferd, og heller ikke manipulere funksjonell tilkobling for å gjenopprette unormale nevrale kretser forbundet med atferdshemming hos pasienter^10,11,12. Transcranial magnetisk stimulering (TMS) kan både causally måle og modulere menneskelig hjernefunksjon og atferd i helse og sykdom^3,13,14,15.

TMS er en sikker, ikke-invasiv metode for å stimulere den menneskelige hjernen^16,17og kan brukes til å indusere og måle plastisitet¹⁸. Denne metoden kan fremme vår forståelse av årsakssammenhenger mellom individuelle hjerneområder og atferd^10,11,12,19og deres spesifikke funksjonelle interaksjoner med andre noder i et hjernenettverk^20,21,22,23. Hittil har de fleste studier fokusert på det menneskelige motorsystemet, gitt at TMS til håndområdet i motorcortex (M1) kan produsere motorfremkalt potensialer (parlamentsmedlemmer) som fysiologiske avlesninger for endringer forbundet med motorisk atferd²⁴, slik at undersøkelse av ulike hemmende og eksitatoriske kretser på systemnivå i den menneskelige hjerne²⁵. Nylige fremskritt ved hjelp av en kondisjoneringstest TMS tilnærming med to spoler viser at det er mulig å måle funksjonelle interaksjoner mellom ulike kortikale områder. I motorsystemet viser tms-eksperimenter med to nivåer at innganger fra kortikale områder forbundet med M1 kan endres med oppgavekrav, alder eller sykdom^14,26. Seminal arbeid av Ferbert og kolleger har funnet ut at bruk av en kondisjoneringsstimulans på M1 før en teststimulans av den andre M1 kan resultere i hemming av MEP-amplituden, et fenomen kjent som kortintervallinterhemisfær hemming (SIHI)²⁸. En rekke TMS-studier ved hjelp av denne tilnærmingen har også vist at M1 er sterkt forbundet med den kontralaterale M1, ventral premotorcortex (PMv), dorsal premotorcortex (PMd), supplerende motorområde (SMA), pre-SMA, primær sensorisk cortex (S1), dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) og bakre parietal cortex (PPC) i ro^{27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42}. Interessant, effekten av stimulering fra disse kortikale områdene på motorkortikal spenning er anatomisk, timelig, og funksjonelt spesifikk for den pågående hjerneaktiviteten under utarbeidelsen av en bevegelse (tilstand- og kontekstavhengig^{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}). Svært få studier med tms med to nivåer har imidlertid karakterisert mønstre av funksjonell kortikokortikal tilkobling med motoriske og kognitive funksjonsnedsettelser hos pasienter med hjernesykdommer^70,71,72. Dette gir muligheter til å utvikle nye metoder for å vurdere og behandle motoriske og kognitive lidelser.

Ved hjelp av denne teknikken, det har også blitt funnet at gjentatte par kortikale TMS brukt på kortikale områder forbundet med M1 som contralateral M1^68,69,70, PMv^76,77,78, SMA⁷¹, og PPC^80,81,82 kan indusere endringer i synaptisk effektivitet i bestemte nevrale veier basert på Hebbian prinsippet om assosiativ plastisitet^{83 ,84,85,86} og forbedre atferdsytelse^72,73,74. Likevel, få studier har brukt denne tilnærmingen til å studere krets og plastisitet dysfunksjon i nevrologiske lidelser^{2,75,76,77,78,79,}80^{,81,82,83,84,}90^{,91,92, 93,94,95,96}. Det gjenstår å bli vist om styrking funksjonelt spesifikke nevrale veier med TMS kan gjenopprette aktivitet i dysfunksjonelle kretser, eller om den potensielle styrkingen av intakt krets kan øke motstandskraft^{en 97} i hjernenettverk som støtter motor og kognitiv funksjon over hele levetiden og i sykdom. Mangelen på grunnleggende forståelse av nevrale mekanismer underliggende nevrologiske lidelser og effekter av stimulering på sammenkoblede dysfunksjonelle hjernenettverk begrenser dagens behandling.

Til tross for sin evne har TMS ennå ikke blitt en standard del av armamentarium av nevrovitenskap og kliniske verktøy for å forstå hjerneatferdsrelasjoner, patofysiologi av hjernesykdommer og effektiviteten av behandlingen. Derfor, for å realisere sitt potensial og støtte sin store applikasjon, er standardisering av TMS-metoder viktig fordi det er mer sannsynlig å øke påkjenningen av fremtidige TMS-eksperimenter og reproduserbarhet på tvers av uavhengige laboratorier. Denne artikkelen beskriver hvordan TMS kan brukes til å både måle og manipulere funksjonelle interaksjoner. Her beskriver vi denne teknikken i motorsystemet (f.eks. parieto-motorsti⁴⁴) ved å måle TMS-baserte utgangstiltak (f.eks. parlamentsmedlemmer), hvor metoden best forstås. Det er imidlertid viktig å merke seg at denne protokollen også kan tilpasses til mål funksjonell kobling av andre subkortikale^85,cerebellar^86,87og kortikale områder. ^73,74,88 I tillegg kan neuroimaging teknikker som EEG^89,90,91 og fMRI^92,93 brukes til å vurdere TMS-induserte endringer i aktivitet og tilkobling^26,94. Vi konkluderer med å foreslå at studien av funksjonell involvering av kretsnivå kortikal tilkobling med disse TMS-metodene i både helse og sykdom gjør det mulig å utvikle målrettede diagnoser og innovative terapier basert på mer sofistikerte nettverksmodeller av hjerneatferdsrelasjoner.