Meten en manipuleren van functioneel specifieke neurale paden in het menselijk motorsysteem met transcraniële magnetische stimulatie

Niet-invasieve hersenstimulatie is een veelbelovend beoordelingsinstrument en behandeling voor veel neurologische aandoeningen, zoals de ziekte van Parkinson, de ziekte van Alzheimer, en beroerte^1,2,3,4. Er is accumulerend bewijs dat de relatie aantoont tussen de gedragsmanifestaties van neurologische ziekten en afwijkingen van corticale prikkelbaarheid, neuroplasticiteit, cortico-corticale en cortico-subcorticale connectiviteit^5,6. Daarom kan basiskennis over de dynamiek van het hersennetwerk en de plasticiteit in neurologische aandoeningen waardevolle inzichten bieden in de diagnose van de ziekte, progressie en reactie op therapie. Functionele magnetische resonantie beeldvorming(fMRI) is een nuttig hulpmiddel om de complexe relaties tussen hersenen en gedrag in zowel gezonde als zieke hersennetwerken te begrijpen en heeft het potentieel om de behandeling te verbeteren op basis van een netwerkperspectief^7,8,9. F MRIis echter correlatief van aard en kan geen causaal verband bieden tussen hersenfunctie en gedrag, noch functionele connectiviteit manipuleren om abnormale neurale circuits te herstellen die verband houden met gedragsstoornissen bij patiënten^10,11,12. Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) kan zowel causaal meten en moduleren van de menselijke hersenfunctie en het gedrag in gezondheid en ziekte^3,13,14,15.

TMS is een veilige, niet-invasieve methode om het menselijk brein te stimuleren^16,17en kan worden gebruikt om plasticiteit te induceren en te meten¹⁸. Deze methode kan ons begrip van causale relaties tussen individuele hersengebieden en gedrag bevorderen^10,11,12,19en hun specifieke functionele interacties met andere knooppunten van een hersennetwerk^20,21,22,23. Tot op heden hebben de meeste studies zich gericht op het menselijk motorisch systeem, gezien het feit dat TMS aan de hand gebied van de motorische cortex (M1) kan produceren motor opgeroepen potentials (EP-leden) als fysiologische uitlezingen voor veranderingen in verband met motorisch gedrag²⁴, waardoor het onderzoek van verschillende remmende en excitatory circuits op systeemniveau in de menselijke hersenen mogelijk is²⁵. Recente vooruitgang met behulp van een conditioneringstest TMS aanpak met twee spoelen tonen aan dat het mogelijk is om functionele interacties tussen verschillende corticale gebieden te meten. In het motorsysteem tonen dual-site TMS-experimenten aan dat ingangen uit corticale gebieden die met M1 zijn verbonden, kunnen veranderen met taakeisen, leeftijd of ziekte^14,26. Baanbrekend werk van Ferbert en collega’s heeft geconstateerd dat het toepassen van een conditioneringsstimulus op M1 voorafgaand aan een teststimulus van de andere M1 kan leiden tot remming van de MEP-amplitude, een fenomeen dat bekend staat als korte intervalinterhemisferische remming (SIHI)²⁸. Een aantal TMS-studies met behulp van deze aanpak hebben ook aangetoond dat M1 sterk verbonden is met de contralaterale M1, ventrale premotorische cortex (PMv), dorsale premotorische cortex (PMd), aanvullend motorisch gebied (SMA), pre-SMA, primaire sensorische cortex (S1), dorsolaterale prefrontale cortex (DLPFC), en achterste pariëtale cortex (PPC) in rust^{27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42}. Interessant is dat het effect van stimulatie van deze corticale gebieden op motorische corticale excitability anatomisch, tijdelijk en functioneel specifiek is voor de aanhoudende hersenactiviteit tijdens de voorbereiding van een beweging (staat- en contextafhankelijke^{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}). Echter, zeer weinig studies met behulp van dual-site TMS hebben gekenmerkt patronen van functionele cortico-corticale connectiviteit met motorische en cognitieve stoornissen bij patiënten met hersenaandoeningen^70,71,72. Dit biedt mogelijkheden om nieuwe methoden te ontwikkelen voor het beoordelen en behandelen van motorische en cognitieve stoornissen.

Met behulp van deze techniek is ook gebleken dat herhaalde paren corticale TMS toegepast op corticale gebieden met elkaar verbonden met M1, zoals contralaterale M1^68,69,70, PMv^76,77,78, SMA⁷¹, en PPC^80,81,82 kan leiden tot veranderingen in synaptische efficiëntie in specifieke neurale trajecten op basis van de Hebbian principe van associatieve plasticiteit^{83 ,84,85,86} en verbeteren gedragsprestaties^72,73,74. Toch hebben weinig studies deze benadering gebruikt om circuit- en plasticiteitsdisfunctie bij neurologische aandoeningen^{2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96}. Het valt nog te bezien of het versterken van functioneel specifieke neurale paden met TMS de activiteit in disfunctionele circuits kan herstellen, of dat de toekomstige versterking van intacte circuits veerkracht⁹⁷ kan vergroten in hersennetwerken die motorische en cognitieve functie ondersteunen gedurende de levensduur en bij ziekte. Het gebrek aan fundamenteel begrip van de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan neurologische aandoeningen en effecten van stimulatie op onderling verbonden disfunctionele hersennetwerken beperkt de huidige behandeling.

Ondanks zijn vermogen, tms heeft nog een standaard onderdeel van het bewapeningsarium van neurowetenschappen en klinische instrumenten voor het begrijpen van hersenen-gedrag relaties, pathofysiologie van hersenaandoeningen, en de effectiviteit van de behandeling. Daarom, om het potentieel ervan te realiseren en de grootschalige toepassing ervan te ondersteunen, is het standaardiseren van TMS-methoden belangrijk omdat het waarschijnlijker is om de strengheid van toekomstige TMS-experimenten en reproduceerbaarheid in onafhankelijke laboratoria te vergroten. In dit artikel wordt beschreven hoe TMS kan worden gebruikt om functionele interacties te meten en te manipuleren. Hier beschrijven we deze techniek in het motorsysteem (bijvoorbeeld parieto-motortraject⁴⁴⁾door op TMS gebaseerde outputmetingen (bijvoorbeeld ep-leden) te meten, waarbij de methode het best te begrijpen is. Het is echter belangrijk op te merken dat dit protocol ook kan worden aangepast aan functionele koppeling van andere subcorticale^85,cerebellar^86,87, en corticale gebieden. ^73,74,88 Daarnaast kunnen neuroimagingtechnieken zoals EEG^89,90,91 en fMRI^92,93 worden gebruikt om de door TMS veroorzaakte veranderingen in activiteit en connectiviteit te beoordelen^26,94. We sluiten af met voorstellen dat de studie van de functionele betrokkenheid van circuit-level corticale connectiviteit met deze TMS-methoden in zowel gezondheid als ziekte het mogelijk maakt om gerichte diagnoses en innovatieve therapieën te ontwikkelen op basis van meer geavanceerde netwerkmodellen van relaties met hersengedrag.