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Abstract
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신경과학

Mesurer et manipuler des voies neuronales fonctionnellement spécifiques dans le système moteur humain avec stimulation magnétique transcrânienne

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

Summary

Cet article décrit de nouvelles approches pour mesurer et renforcer les voies neurales fonctionnellement spécifiques avec la stimulation magnétique transcrânienne. Ces méthodes avancées de stimulation cérébrale non invasive peuvent offrir de nouvelles possibilités pour la compréhension des relations cerveau-comportement et le développement de nouvelles thérapies pour traiter les troubles cérébraux.

Abstract

Comprendre les interactions entre les zones du cerveau est important pour l’étude du comportement orienté vers l’objectif. La neuroimagerie fonctionnelle de la connectivité cérébrale a fourni des informations importantes sur les processus fondamentaux du cerveau comme la cognition, l’apprentissage et le contrôle moteur. Cependant, cette approche ne peut pas fournir de preuves causales pour la participation des zones d’intérêt du cerveau. La stimulation magnétique transcrânienne (SMT) est un outil puissant et non invasif pour étudier le cerveau humain qui peut surmonter cette limitation en modifiant transitoirement l’activité cérébrale. Ici, nous soulignons les progrès récents utilisant une méthode TMS à impulsion souillée et à double site avec deux bobines qui sondent de façon causale les interactions cortico-corticales dans le système moteur humain dans différents contextes de tâches. En outre, nous décrivons un protocole de TMS dual-site basé sur la stimulation associative jumelée corticale (cPAS) qui augmente transitoirement l’efficacité synaptique dans deux secteurs interconnectés de cerveau en appliquant des paires répétées de stimulus corticaux avec deux bobines. Ces méthodes peuvent fournir une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents à la fonction cognitive-motrice ainsi qu’une nouvelle perspective sur la manipulation de voies neuronales spécifiques d’une manière ciblée pour moduler les circuits cérébraux et améliorer le comportement. Cette approche peut s’avérer un outil efficace pour développer des modèles plus sophistiqués de relations cerveau-comportement et améliorer le diagnostic et le traitement de nombreux troubles neurologiques et psychiatriques.

Introduction

La stimulation cérébrale non invasive est un outil d’évaluation et de traitement prometteur pour de nombreux troubles neurologiques, tels que la maladie de Parkinson, la maladie d’Alzheimer, et l’AVC1,2,3,4. Il y a des preuves d’accumulation établissant la relation entre les manifestations comportementales des maladies neurologiques et des anomalies de l’excitabilité corticale, de la neuroplasticité, de la cortico-cortico-corticocoet et de la connectivité cortico-subcortical5,6. Par conséquent, les connaissances de base sur la dynamique et la plasticité des réseaux cérébraux dans les conditions neurologiques peuvent fournir un aperçu inestimable sur le diagnostic de la maladie, la progression et la réponse à la thérapie. L’imagerie parrésonance magnétique fonctionnelle (IRM) est un outil utile pour comprendre les relations complexes entre le cerveau et le comportement dans les réseaux cérébraux sains et malades et a le potentiel d’améliorer le traitement basé sur une perspective de réseau7,8,9. Cependant, fMRI est de nature corrélationnelle et ne peut pas fournir un lien de causalité entre la fonction cérébrale et le comportement, ni manipuler la connectivité fonctionnelle pour restaurer les circuits neuronaux anormaux associés à des déficiences comportementales chez les patients10,11,12. La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) peut à la fois mesurer et moduler la fonction et le comportement du cerveau humain dans la santé et la maladie3,13,14,15.

TMS est une méthode sûre et non invasive pour stimuler le cerveau humain16,17et peut être utilisé pour induire et mesurer la plasticité18. Cette méthode peut faire progresser notre compréhension des relations causales entre les différentes zones du cerveau et le comportement10,11,12,19et leurs interactions fonctionnelles spécifiques avec d’autres nœuds d’un réseau cérébral20,21,22,23. À ce jour, la plupart des études se sont concentrées sur le système moteur humain, étant donné que tMS à la zone de la main du cortex moteur (M1) peut produire des potentiels évoqués moteur (MEPs) comme des readouts physiologiques pour les changements liés au comportement moteur24, permettant l’examen de différents circuits inhibiteurs et excitateurs au niveau du système dans le cerveau humain25. Les progrès récents utilisant une approche de test de conditionnement TMS avec deux bobines montrent qu’il est possible de mesurer les interactions fonctionnelles entre les différentes zones corticales. Dans le système moteur, les expériences TMS à deux sites montrent que les entrées des zones corticales interconnectées avec M1 peuvent changer avec les exigences des tâches, l’âge ou la maladie14,26. Les travaux séminals de Ferbert et de ses collègues ont révélé que l’application d’un stimulus de conditionnement à M1 avant un stimulus d’essai de l’autre M1 peut entraîner une inhibition de l’amplitude de l’eurodéputé, un phénomène connu sous le nom d’inhibition interhémisphérique à intervalles courts (SIHI)28. Un certain nombre d’études TMS utilisant cette approche ont également montré que M1 est fortement interconnecté avec le M1 contralatéral, cortex prémoteur ventral (PMv), cortex prémoteur dorsal (PMD), zone motrice supplémentaire (SMA), pré-SMA, cortex sensoriel primaire (S1), cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC), et cortex pariétal postérieur (PPC) au repos27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42. Fait intéressant, l’effet de la stimulation de ces zones corticales sur l’excitabilité corticale motrice est anatomiquement, temporellement et fonctionnellement spécifique à l’activité cérébrale continue pendant la préparation d’un mouvement (état et contexte-dépendant43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69). Cependant, très peu d’études utilisant le TMS dual-site ont caractérisé des modèles de connectivité cortico-corticale fonctionnelle avec des affaiblissements moteurs et cognitifs dans les patients présentant des désordres de cerveau70,71,72. Cela permet de développer de nouvelles méthodes d’évaluation et de traitement des troubles moteurs et cognitifs.

En utilisant cette technique, il a également été constaté que des paires répétées de TMS cortical appliqués à des zones corticales interconnectées avec M1 tels que contralatérale M168,69,70, PMv76,77,78, SMA71, et PPC80,81,82peut induire des changements dans l’efficacité synaptique dans des voies neuronales spécifiques basées sur le principe hebbien de l’association plasticité83 ,84,85,86 et améliorer la performance comportementale72,73,74. Pourtant, peu d’études ont utilisé cette approche pour étudier le circuit et le dysfonctionnement de plasticité dans les désordres neurologiques2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96. Il reste à montrer si le renforcement des voies neuronales fonctionnellement spécifiques avec TMS peut restaurer l’activité dans les circuits dysfonctionnels, ou si le renforcement éventuel du circuit intact peut augmenter la résilience97 dans les réseaux cérébraux soutenant la fonction motrice et cognitive tout au long de la durée de vie et dans la maladie. Le manque de compréhension fondamentale des mécanismes neuronaux sous-jacents aux troubles neurologiques et aux effets de la stimulation sur les réseaux cérébraux dysfonctionnels interconnectés limite le traitement actuel.

Malgré ses capacités, TMS n’est pas encore devenu une partie standard de l’armamentarium des neurosciences et des outils cliniques pour comprendre les relations cerveau-comportement, la pathophysiologie des troubles cérébraux, et l’efficacité du traitement. Par conséquent, pour réaliser son potentiel et soutenir son application à grande échelle, il est important de normaliser les méthodes De SMT parce qu’il est plus susceptible d’accroître la rigueur des futures expériences TMS et la reproductibilité dans les laboratoires indépendants. Cet article décrit comment TMS peut être utilisé à la fois pour mesurer et manipuler les interactions fonctionnelles. Ici, nous décrivons cette technique dans le système moteur (par exemple, voie parieto-moteur44) en mesurant les mesures de sortie basées sur tMS (par exemple, les eurodéputés), où la méthode est la mieux comprise. Cependant, il est important de noter que ce protocole peut également être adapté pour cibler le couplage fonctionnel d’autres sous-corticales85, cerebellar86,87, et les zones corticales. 73,74,88 En outre, les techniques de neuroimagerie telles que l’EEG89,90,91 et fMRI92,93 peuvent être utilisés pour évaluer les changements induits par tMS dans l’activité et la connectivité26,94. Nous concluons en proposant que l’étude de la participation fonctionnelle de la connectivité corticale au niveau du circuit avec ces méthodes de SMT dans la santé et la maladie permet de développer des diagnostics ciblés et des thérapies innovantes basées sur des modèles de réseau plus sophistiqués de relations cerveau-comportement.

Protocol

Les trois méthodes tMS suivantes sont décrites ci-dessous. Tout d’abord, deux méthodes sont décrites pour mesurer la connectivité cortico-cortica le plus à l’aide d’une stimulation magnétique transcrânienne à double site (dsTMS) alors que les participants sont soit 1) au repos (état de repos) ou 2) effectuant un mouvement de portée à la prise orienté objet ( tâche dépendante). Deuxièmement, une méthode corticale de stimulation associative appariée (CPAS) est décrite pour moduler l’interaction e…

Representative Results

La figure 5 montre la taille d’une réponse exemplaire de l’EPM obtenue dans le muscle de l’IED par TMS pour un stimulus d’essai non conditionné (TS seul à M1, trace bleue) ou des stimuli conditionnés de PPC (CS-TS, trace rouge) alors que le participant était au repos (panneau supérieur) ou la planification d’une action de saisie orientée vers l’objectif à un objet (panneau inférieur). Au repos, le PPC exerce une influence inhibitrice sur l’ipsilatéral M1, comme le mon…

Discussion

La méthode TMS à double site décrite ici peut être utilisée pour étudier les interactions fonctionnelles entre les différentes zones corticales interconnectées avec le cortex moteur primaire pendant qu’un participant est au repos ou planifie une action orientée vers l’objectif. Tandis que l’imagerie cérébrale est corrélative, les connaissances de base des méthodes de TMS à double site peuvent révéler des relations causales de cerveau-comportement liés aux changements dans les circuits cortico-corti…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été soutenu par l’Université du Michigan: MCubed Scholars Program et School of Kinesiology.

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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