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신경과학

경두개 자기 자극을 통해 인간 모터 시스템의 기능적으로 특정신경 경로 측정 및 조작

Published: February 23, 2020
doi:
10.3791/60706
, , , ,
1School of Kinesiology, Brain Behavior Laboratory,University of Michigan

Summary

이 기사에서는 경두개 자기 자극을 통해 기능적으로 특정 신경 경로를 측정하고 강화하는 새로운 접근법을 설명합니다. 이러한 고급 비침습적 뇌 자극 방법론은 뇌-행동 관계의 이해와 뇌 질환을 치료하는 새로운 치료법의 개발을 위한 새로운 기회를 제공할 수 있습니다.

Abstract

뇌 영역 간의 상호 작용을 이해하는 것은 목표 지향적 인 행동의 연구에 중요합니다. 뇌 연결의 기능적 신경 이미징은 인지, 학습 및 운동 제어와 같은 뇌의 기본 과정에 대한 중요한 통찰력을 제공했습니다. 그러나, 이 접근은 관심의 두뇌 지역의 관련을 위한 인과적인 증거를 제공할 수 없습니다. 경두개 자기 자극 (TMS)은 뇌 활동을 일시적으로 수정하여 이러한 한계를 극복 할 수있는 인간의 뇌를 연구하기위한 강력하고 비 침습적 인 도구입니다. 여기에서는 서로 다른 작업 컨텍스트 동안 인간 모터 시스템에서 피질 피질 상호 작용을 인과적으로 프로브하는 두 개의 코일을 사용하여 쌍펄스, 이중 사이트 TMS 방법을 사용하여 최근의 발전을 강조합니다. 또한, 우리는 피질 쌍을 이루는 연관 자극 (cPAS)에 근거를 둔 이중 사이트 TMS 프로토콜을 설명합니다 2개의 코일과 피질 자극의 반복된 쌍을 적용해서 두 개의 상호 연결된 두뇌 지역에 있는 시냅스 효율성을 일시적으로 향상시냅스 효율성을 향상합니다. 이 방법은 두뇌 회로를 조절하고 행동을 향상시키기 위하여 표적으로 한 방식으로 특정 신경 통로를 조작에 대한 새로운 관점 뿐만 아니라 인지 모터 기능의 근본적인 기계장치의 더 나은 이해를 제공할 수 있습니다. 이 접근은 두뇌 행동 관계의 더 정교한 모형을 개발하고 많은 신경학상 및 정신 장애의 진단 그리고 처리를 향상하는 효과적인 공구일 수 있습니다.

Introduction

비침습적 뇌 자극은 파킨슨병, 알츠하이머병,뇌졸중1,2,3,4와같은 많은 신경 질환에 대한 유망한 평가 도구 및 치료법이다. 신경 질환의 행동 징후와 피질 흥분성, 신경 가소성, 피질 피질 및 피질 피질 피질 피질연결성5,6의이상 사이의 관계를 확립하는 증거가 축적되어 있습니다. 따라서 신경 학적 조건에서 뇌 네트워크 역학 및 가소성에 대한 기본 지식은 질병 진단, 진행 및 치료에 대한 반응에 대한 귀중한 통찰력을 제공 할 수 있습니다. 기능성 자기공명영상(f MRI)은 건강하고 병들인 뇌망 모두에서 뇌와 행동 사이의 복잡한 관계를 이해하는 데 유용한 도구이며네트워크 관점7,8,9에기초하여 치료를 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 그러나, fMRI는 본질적으로 상관관계가 있고 뇌 기능과 행동 사이의 인과관계를 제공할 수 없으며, 환자10,11,12의행동 장애와 관련된 비정상적인 신경 회로를 복원하기 위한 기능적 연결을 조작할 수 없다. 경두개 자기 자극 (TMS)은 인과 관계로 측정하고 건강과 질병3,13,14,15에서인간의 뇌 기능과 행동을 조절 할 수 있습니다.

TMS는 인간의 뇌를 자극하는 안전하고 비침습적 인 방법입니다.16,17가소성을 유도하고 측정하는 데 사용할 수 있습니다.18. 이 방법은 개별 적인 두뇌 영역 과 행동 사이 인과 관계의 우리의 이해를 진전시킬 수 있습니다10,11,12,19뇌 네트워크의 다른 노드와의 특정 기능 적 상호 작용20,21,22,23. 현재까지 대부분의 연구는 모터 피질 (M1)의 손 영역에 TMS가 모터 행동과 관련된 변화에 대한 생리적 판독으로 모터 유발 전위 (MEP)를 생성 할 수 있다는 점을 감안할 때 인간의 운동 시스템에 초점을 맞추고 있습니다.24, 인간의 뇌의 시스템 수준에서 다른 억제 및 흥분성의 회로의 검사를 허용25. 2개의 코일을 이용한 컨디셔닝 테스트 TMS 접근법을 이용한 최근의 발전은 상이한 피질 영역 들 간의 기능적 상호작용을 측정할 수 있음을 보여준다. 모터 시스템에서 이중 사이트 TMS 실험은 M1과 상호 연결된 피질 영역의 입력이 작업 요구, 연령 또는 질병에 따라 변경될 수 있음을 보여줍니다.14,26. Ferbert와 동료에 의한 정액 작용은 다른 M1의 시험 자극 이전에 M1에 컨디셔닝 자극을 적용하면 MEP 진폭의 억제를 초래할 수 있다는 것을 발견했습니다, 짧은 간격 간 반구 적 억제로 알려진 현상 (SIHI)28. 이 접근법을 이용한 다수의 TMS 연구는 M1이 반대측 M1, 복부 전운동 피질(PMv), 등쪽 전운동 피질(PMd), 보조 운동 영역(SMA), Pre-SMA, 1차 감각 피질(S1)과 강하게 상호 연결된다는 것을 보여주었습니다. 등측 전두엽 피질 (DLPFC), 그리고 후방 정수리 피질 (PPC) 휴식27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42. 흥미롭게도, 운동 피질 흥분성에 대한 이러한 피질 영역에서 자극의 효과는 해부학적으로, 시간적으로, 그리고 운동 준비 중에 진행중인 뇌 활동에 기능적으로 특이적입니다 (상태 및 상황에 따라 의존적43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69). 그러나, 이중 사이트 TMS를 사용하여 아주 몇몇 연구 결과는 두뇌 무질서를 가진 환자에 있는 모터 및 인식 손상과 기능적인 피질 피질 연결의 패턴을 특징으로 했습니다70,71,72. 이것은 모터 와 인지 장애를 평가하고 취급하기 위한 새로운 방법을 개발하는 기회를 줍니다.

이 기술을 사용하여, 또한 대측 M168,69, 70,PMv76,77,78,SMA71,및 PPC80,81,82와 같은 M1과 상호 연결된 피질 영역에 적용된 피질 TMS의 반복쌍이 Hebb의80,81,82에 기초하여 특정 신경 통로의 변화를 유도할 수 있다는 것을 발견되었습니다. ,84,85,86 및 행동 성능향상 72,73,74. 아직도, 몇몇 연구 결과는 신경장애에있는 회로 그리고 가소성 역기능을 공부하기 위하여 이 접근을 이용했습니다2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96. TMS를 사용하여 기능적으로 특정 신경 경로를 강화하는 것이 기능 장애 회로의 활동을 복원할 수 있는지, 또는 손상되지 않은 회로의 장래 강화가 수명 및 질병에 걸쳐 모터 및 인지 기능을 지원하는 뇌 네트워크의 탄력성97을 증가시킬 수 있는지 여부를 보여 야 합니다. 신경 장애의 근본적인 이해의 부족 및 상호 연결 된 기능 장애 뇌 네트워크에 자극의 효과 현재 치료를 제한.

그 능력에도 불구하고, TMS는 아직 뇌 행동 관계, 뇌 질환의 병리생리학 및 치료의 효과를 이해하기위한 신경 과학 및 임상 도구의 armamentarium의 표준 부분이 될 수 있습니다. 따라서 잠재력을 실현하고 대규모 응용프로그램을 지원하기 위해 TMS 방법을 표준화하는 것은 독립적인 실험실 전체에서 향후 TMS 실험의 엄격함과 재현성을 증가시킬 가능성이 높기 때문에 중요합니다. 이 문서에서는 TMS를 사용하여 기능 상호 작용을 측정하고 조작하는 방법을 설명합니다. 여기서, 우리는 TMS 기반 출력 측정값(예를 들어, MEP)을 측정하여 모터 시스템(예를 들어, parieto-motor pathway44)에서이 기술을 설명하며, 여기서 그 방법이 가장 잘 이해된다. 그러나, 이 프로토콜은 또한 다른 피질85,소뇌86,87및 피질 영역의 표적 기능 적 결합에 적응될 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 73,74,88 또한, EEG89,90, 91 및 fMRI92,93과 같은 신경 이미징 기술은 TMS 유발 활동 및 연결성 변화를 평가하는데 사용될 수 있다26,94. 우리는 건강과 질병 둘 다에 있는 이 TMS 방법과 회로 수준 피질 연결의 기능적인 관련의 연구 결과가 두뇌 행동 관계의 더 정교한 네트워크 모형에 근거를 둔 표적으로 한 진단 그리고 혁신적인 치료를 개발하는 것을 가능하게 한다는 것을 건의해서 결론을 내립니다.

Protocol

다음 세 가지 TMS 방법은 아래에 설명되어 있습니다. 첫째, 두 가지 방법은 이중 사이트 경두개 자기 자극 (dsTMS)을 사용하여 피질 피질 연결을 측정하는 데 설명되어 있으며 참가자는 1) 휴식 상태 (휴식 상태) 또는 2) 개체 지향 도달 – 투 – 파악 운동을 수행하는 동안 ( 작업에 따라 다름). 둘째, 피질 쌍을 이루는 연관 자극 (cPAS) 방법은 기능적 강화를 위해 피질 자극 (예를 들어, 후방 정수리 및 1 차 ?…

Representative Results

도 5는 참가자가 휴식 상태인 동안 PPC(CS-TS, 적색 트레이스)로부터 무조건적인 시험 자극(TS 단독에서 M1, 청색 트레이스) 또는 컨디셔닝된 자극에 대해 TMS에 의해 FDI 근육에서 유도된 예시MEP 반응의 크기를 나타내거나 물체(하단 패널)에 대한 목표 지향적 인 파악 작용을 계획한다. 나머지에서, PPC는 M1(상부 패널)을 통해 Suprathreshold TS 전에 PPC 5 ms 를 통해 전달된 서브 임계값 CS?…

Discussion

여기에 설명된 이중 사이트 TMS 방법은 참가자가 휴식을 취하거나 목표 지향적 인 행동을 계획하는 동안 기본 모터 피질과 상호 연결된 다른 피질 영역 간의 기능적 상호 작용을 조사하기 위해 사용될 수 있습니다. 두뇌 화상 진찰은 상관관계, 이중 사이트 TMS 방법에서 기본적인 지식은 피질 피질 회로에 있는 변경과 관련되었던 인과 두뇌 행동 관계를 드러낼 수 있습니다. 또한 M1과 상호 연결된 영…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 작품은 미시간 대학에 의해 지원되었다: MCubed 학자 프로그램 및 운동 학의 학교.

Materials

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)
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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).
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