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Neurociência

Medición y manipulación de vías neuronales funcionalmente específicas en el sistema motor humano con estimulación magnética transcraneal

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

Summary

Este artículo describe nuevos enfoques para medir y fortalecer las vías neuronales funcionalmente específicas con estimulación magnética transcraneal. Estas metodologías avanzadas de estimulación cerebral no invasiva pueden proporcionar nuevas oportunidades para la comprensión de las relaciones cerebro-comportamiento y el desarrollo de nuevas terapias para tratar los trastornos cerebrales.

Abstract

Comprender las interacciones entre las áreas cerebrales es importante para el estudio del comportamiento dirigido a objetivos. La neuroimagen funcional de la conectividad cerebral ha proporcionado información importante sobre los procesos fundamentales del cerebro como la cognición, el aprendizaje y el control motor. Sin embargo, este enfoque no puede proporcionar evidencia causal para la participación de áreas cerebrales de interés. La estimulación magnética transcraneal (TMS) es una poderosa herramienta no invasiva para estudiar el cerebro humano que puede superar esta limitación modificando transitoriamente la actividad cerebral. Aquí, destacamos los avances recientes utilizando un método TMS de pulso doble de pulso emparejado con dos bobinas que sondas causalmente interacciones corticocorticales en el sistema motor humano durante diferentes contextos de tareas. Además, describimos un protocolo TMS de doble sitio basado en la estimulación asociativa corical emparejada (CPAS) que mejora transitoriamente la eficiencia sináptica en dos áreas cerebrales interconectadas mediante la aplicación de pares repetidos de estímulos corticales con dos bobinas. Estos métodos pueden proporcionar una mejor comprensión de los mecanismos subyacentes a la función cognitivo-motora, así como una nueva perspectiva sobre la manipulación de vías neuronales específicas de una manera dirigida para modular los circuitos cerebrales y mejorar el comportamiento. Este enfoque puede resultar ser una herramienta eficaz para desarrollar modelos más sofisticados de relaciones cerebro-comportamiento y mejorar el diagnóstico y el tratamiento de muchos trastornos neurológicos y psiquiátricos.

Introduction

La estimulación cerebral no invasiva es una herramienta de evaluación prometedora y tratamiento para muchos trastornos neurológicos, como la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer y el accidente cerebrovascular1,2,3,4. Existe evidencia acumulada que establece la relación entre las manifestaciones conductuales de las enfermedades neurológicas y las anomalías de excitabilidad cortical, neuroplasticidad, conectividad corticocortical y cortico-subcortical5,6. Por lo tanto, los conocimientos básicos sobre la dinámica de la red cerebral y la plasticidad en condiciones neurológicas pueden proporcionar una visión invaluable del diagnóstico de la enfermedad, la progresión y la respuesta a la terapia. La resonancia magnética funcional(fMRI) es una herramienta útil para entender las complejas relaciones entre el cerebro y el comportamiento tanto en redes cerebrales sanas como enfermas y tiene el potencial de mejorar el tratamiento basado en una perspectiva de red7,8,9. Sin embargo, fLA RMN es de naturaleza corética y no puede proporcionar una relación causal entre la función cerebral y el comportamiento, ni manipular la conectividad funcional para restaurar los circuitos neuronales anormales asociados con deficiencias conductuales en pacientes10,11,12. La estimulación magnética transcraneal (TMS) puede medir y modular causalmente la función y el comportamiento del cerebro humano en salud y enfermedad3,13,14,15.

TMS es un método seguro y no invasivo para estimular el cerebro humano16,17y se puede utilizar para inducir y medir la plasticidad18. Este método puede avanzar en nuestra comprensión de las relaciones causales entre las áreas cerebrales individuales y el comportamiento10,11,12,19y sus interacciones funcionales específicas con otros nodos de una red cerebral20,21,22,23. Hasta la fecha, la mayoría de los estudios se han centrado en el sistema motor humano, dado que tmS a la zona de la mano de la corteza motora (M1) puede producir potenciales evocados motor (MEP) como lecturas fisiológicas para los cambios asociados con el comportamiento motor24, permitiendo el examen de diferentes circuitos inhibitorios y excitatorios a nivel del sistema en el cerebro humano25. Los avances recientes utilizando un enfoque TMS de prueba de acondicionamiento con dos bobinas muestran que es posible medir las interacciones funcionales entre diferentes áreas corticales. En el sistema motor, los experimentos TMS de doble sitio muestran que las entradas de áreas corticales interconectadas con M1 pueden cambiar con las demandas de tareas, la edad o la enfermedad14,26. El trabajo seminal de Ferbert y sus colegas ha descubierto que la aplicación de un estímulo de acondicionamiento a M1 antes de un estímulo de prueba del otro M1 puede dar lugar a la inhibición de la amplitud del MEP, un fenómeno conocido como inhibición interhemisférica de intervalo corto (SIHI)28. Varios estudios de TMS que utilizan este enfoque también han demostrado que M1 está fuertemente interconectado con la M1 contralateral, la corteza prerrenal ventral (PMv), la corteza premotora dorsal (PMd), el área motora suplementaria (SMA), la pre-SMA, la corteza sensorial primaria (S1), corteza prefrontal dorsolateral (DLPFC) y corteza parietal posterior (PPC) en reposo27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42. Curiosamente, el efecto de la estimulación de estas áreas corticales en la excitabilidad cortical motora es anatómica, temporal y funcionalmente específico de la actividad cerebral en curso durante la preparación de un movimiento (dependiente del estado y del contexto43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69). Sin embargo, muy pocos estudios con TMS de doble sitio han caracterizado patrones de conectividad corticocortical funcional con deficiencias motoras y cognitivas en pacientes con trastornos cerebrales70,71,72. Esto ofrece oportunidades para desarrollar nuevos métodos para evaluar y tratar trastornos motores y cognitivos.

Utilizando esta técnica, también se ha encontrado que los pares repetidos de TMS cortical aplicados a áreas corticales interconectadas con M1 como contralateral M168,69,70, PMv76,77,78, SMA71, y PPC80,81,82 pueden inducir cambios en la eficiencia sináptica en vías neuronales específicas basadas en el principio hebbiana de plástico asociativo83 ,84,85,86 y mejorar el rendimiento conductual72,73,74. Aún así, pocos estudios han utilizado este enfoque para estudiar el circuito y la disfunción plasticidad en trastornos neurológicos2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96. Queda por demostrar si el fortalecimiento de vías neuronales funcionalmente específicas con TMS puede restaurar la actividad en circuitos disfuncionales, o si el fortalecimiento prospectivo del circuito intacto puede aumentar la resiliencia97 en redes cerebrales que apoyan la función motora y cognitiva a lo largo de la vida útil y en la enfermedad. La falta de comprensión fundamental de los mecanismos neuronales subyacentes a los trastornos neurológicos y los efectos de la estimulación en las redes cerebrales disfuncionales interconectadas limita el tratamiento actual.

A pesar de su capacidad, TMS todavía no se ha convertido en una parte estándar del armamento de la neurociencia y herramientas clínicas para entender las relaciones cerebro-comportamiento, la fisiopatología de los trastornos cerebrales y la eficacia del tratamiento. Por lo tanto, para realizar su potencial y apoyar su aplicación a gran escala, estandarizar los métodos TMS es importante porque es más probable aumentar el rigor de futuros experimentos TMS y reproducibilidad en laboratorios independientes. Este artículo describe cómo TMS se puede utilizar para medir y manipular las interacciones funcionales. Aquí, describimos esta técnica en el sistema motor (por ejemplo, la vía parietomotor44)midiendo las medidas de salida basadas en TMS (por ejemplo, los eurodiputados), donde el método se entiende mejor. Sin embargo, es importante señalar que este protocolo también se puede adaptar al acoplamiento funcional objetivo de otras áreas subcorticales85,cerebelosas86,87y corticales. 73,74,88 Además, técnicas de neuroimagen como EEG89,90,91 y fMRI92,93 se pueden utilizar para evaluar los cambios inducidos por TMS en la actividad y la conectividad26,94. Concluimos proponiendo que el estudio de la implicación funcional de la conectividad cortical a nivel de circuito con estos métodos TMS tanto en salud como en enfermedad permita desarrollar diagnósticos específicos y terapias innovadoras basadas en modelos de red más sofisticados de relaciones cerebro-comportamiento.

Protocol

Los tres métodos siguientes TMS se describen abajo. En primer lugar, se describen dos métodos para medir la conectividad corticocortical mediante la estimulación magnética transcraneal de doble sitio (dsTMS) mientras que los participantes están 1) en reposo (estado de reposo) o 2) realizando un movimiento de alcance a agarre dirigido por objetos ( dependiente de la tarea). En segundo lugar, se describe un método de estimulación asociativa corética (CPAS) emparejada cortical para modular la interacción entre dos …

Representative Results

La Figura 5 muestra el tamaño de una respuesta ejemplar del MEP obtenida en el músculo de la IED por TMS para un estímulo de prueba no condicionado (TS solo a M1, traza azul) o estímulos acondicionados de PPC (CS-TS, traza roja) mientras el participante estaba en reposo (panel superior) o planeando una acción de agarre dirigida a objetivos a un objeto (panel inferior). En reposo, el PPC ejerce una influencia inhibitoria sobre el M1 ipsilateral, como lo demuestra la disminución de las a…

Discussion

El método TMS de doble sitio descrito aquí se puede emplear para investigar las interacciones funcionales entre diferentes áreas corticales interconectadas con la corteza motora primaria mientras un participante está en reposo o planeando una acción dirigida por objetivos. Si bien las imágenes cerebrales son correlativas, el conocimiento básico de los métodos TMS de doble sitio puede revelar relaciones causales cerebro-comportamiento asociados con cambios en los circuitos corticocorticales. Además, se puede empl…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabajo fue apoyado por la Universidad de Michigan: MCubed Scholars Program y 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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Referências

  1. Ni, Z., Chen, R. Transcranial magnetic stimulation to understand pathophysiology and as potential treatment for neurodegenerative diseases. Translational Neurodegeneration. 4 (1), 1-12 (2015).
  2. Koch, G., Martorana, A., Caltagirone, C. Transcranial magnetic stimulation_ Emerging biomarkers and novel therapeutics in Alzheimer’s disease. Neuroscience Letters. 134355, (2019).
  3. Hallett, M., et al. Contribution of transcranial magnetic stimulation to assessment of brain connectivity and networks. Clinical Neurophysiology. 128 (11), 2125-2139 (2017).
  4. Hummel, F. C., Cohen, L. G. Non-invasive brain stimulation: a new strategy to improve neurorehabilitation after stroke. The Lancet Neurology. 5 (8), 708-712 (2006).
  5. Caligiore, D., et al. Parkinson’s disease as a system-level disorder. Nature Publishing Group. 2 (1), 1-9 (2016).
  6. Grefkes, C., Fink, G. R. Reorganization of cerebral networks after stroke: new insights from neuroimaging with connectivity approaches. Brain. 134 (5), 1264-1276 (2011).
  7. Calhoun, V. D., Miller, R., Pearlson, G., Adalı, T. The Chronnectome: Time-Varying Connectivity Networks as the Next Frontier in fMRI Data Discovery. Neuron. 84 (2), 262-274 (2014).
  8. Fox, M. D., et al. Resting-state networks link invasive and noninvasive brain stimulation across diverse psychiatric and neurological diseases. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (41), 4367-4375 (2014).
  9. Fox, M. D., Halko, M. A., Eldaief, M. C., Pascual-Leone, A. Measuring and manipulating brain connectivity with resting state functional connectivity magnetic resonance imaging (fcMRI) and transcranial magnetic stimulation (TMS). NeuroImage. 62 (4), 2232-2243 (2012).
  10. Pascual-Leone, A., Walsh, V., Rothwell, J. Transcranial magnetic stimulation in cognitive neuroscience–virtual lesion, chronometry, and functional connectivity. Current Opinion in Neurobiology. 10 (2), 232-237 (2000).
  11. Pascual-Leone, A., Bartres-Faz, D., Keenan, J. P. Transcranial magnetic stimulation: studying the brain-behaviour relationship by induction of “virtual lesions”. Philosophical transactions of the Royal Society of London Series B, Biological Sciences. 354 (1387), 1229-1238 (1999).
  12. Bolognini, N., Ro, T. Transcranial magnetic stimulation: disrupting neural activity to alter and assess brain function. The Journal of Neuroscience. 30 (29), 9647-9650 (2010).
  13. Rothwell, J. C. Using transcranial magnetic stimulation methods to probe connectivity between motor areas of the brain. Human Movement Science. 30 (5), 906-915 (2010).
  14. Lafleur, L. P., Tremblay, S., Whittingstall, K., Lepage, J. F. Assessment of Effective Connectivity and Plasticity With Dual-Coil Transcranial Magnetic Stimulation. Brain Stimulation. 9 (3), 347-355 (2016).
  15. Chouinard, P. A., Paus, T. What have We Learned from “Perturbing” the Human Cortical Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation. Frontiers in Human Neuroscience. 4, 173 (2010).
  16. Chen, R. Studies of human motor physiology with transcranial magnetic stimulation. Muscle & Nerve. 23 (S9), 26-32 (2000).
  17. Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation and the human brain. Nature. 406 (6792), 147-150 (2000).
  18. Chen, R., Udupa, K. Measurement and modulation of plasticity of the motor system in humans using transcranial magnetic stimulation. Motor Control. 13 (4), 442-453 (2009).
  19. Walsh, V., Rushworth, M. A primer of magnetic stimulation as a tool for neuropsychology. Neuropsychologia. 37 (2), 125-135 (1999).
  20. Bestmann, S., et al. Mapping causal interregional influences with concurrent TMS-fMRI. Experimental Brain Research. 191 (4), 383-402 (2008).
  21. Siebner, H. R., Hartwigsen, G., Kassuba, T., Rothwell, J. C. How does transcranial magnetic stimulation modify neuronal activity in the brain? Implications for studies of cognition. Cortex. 45 (9), 1035-1042 (2009).
  22. Dayan, E., Censor, N., Buch, E. R., Sandrini, M., Cohen, L. G. Noninvasive brain stimulation: from physiology to network dynamics and back. Nature Publishing Group. 16 (7), 838-844 (2013).
  23. Sack, A. T. Transcranial magnetic stimulation, causal structure-function mapping and networks of functional relevance. Current Opinion in Neurobiology. 16 (5), 593-599 (2006).
  24. Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Experimental Brain Research. 233 (3), 679-689 (2015).
  25. Vesia, M., Davare, M. Decoding Action Intentions in Parietofrontal Circuits. Journal of Neuroscience. 31 (46), 16491-16493 (2011).
  26. Cantarero, G., Celnik, P. Applications of TMS to Study Brain Connectivity. Brain Stimulation: Methodologies and Interventions. , 191-211 (2015).
  27. Ni, Z., et al. Two Phases of Interhemispheric Inhibition between Motor Related Cortical Areas and the Primary Motor Cortex in Human. Cerebral Cortex. 19 (7), 1654-1665 (2009).
  28. Ferbert, A., et al. Interhemispheric inhibition of the human motor cortex. The Journal of Physiology. 453, 525-546 (1992).
  29. Bäumer, T., et al. Inhibitory and facilitatory connectivity from ventral premotor to primary motor cortex in healthy humans at rest – A bifocal TMS study. Clinical Neurophysiology. 120 (9), 1724-1731 (2009).
  30. Koch, G., et al. Asymmetry of Parietal Interhemispheric Connections in Humans. Journal of Neuroscience. 31 (24), 8967-8975 (2011).
  31. Koch, G., et al. Focal stimulation of the posterior parietal cortex increases the excitability of the ipsilateral motor cortex. The Journal of Neuroscience. 27 (25), 6815-6822 (2007).
  32. Koch, G., et al. Interactions between pairs of transcranial magnetic stimuli over the human left dorsal premotor cortex differ from those seen in primary motor cortex. The Journal of Physiology. 578 (2), 551-562 (2007).
  33. Koch, G., et al. TMS activation of interhemispheric pathways between the posterior parietal cortex and the contralateral motor cortex. The Journal of Physiology. 587, 4281-4292 (2009).
  34. Ziluk, A., Premji, A., Nelson, A. J. Functional connectivity from area 5 to primary motor cortex via paired-pulse transcranial magnetic stimulation. Neuroscience Letters. 484 (1), 81-85 (2010).
  35. Karabanov, A. N., Chao, C. C., Paine, R., Hallett, M. Mapping different intra-hemispheric parietal-motor networks using twin coil TMS. Brain Stimulation. 6 (3), 384-389 (2012).
  36. Mochizuki, H., Huang, Y. Z., Rothwell, J. C. Interhemispheric interaction between human dorsal premotor and contralateral primary motor cortex. The Journal of Physiology. 561, 331-338 (2004).
  37. Civardi, C., Cantello, R., Asselman, P., Rothwell, J. C. Transcranial Magnetic Stimulation Can Be Used to Test Connections to Primary Motor Areas from Frontal and Medial Cortex in Humans. NeuroImage. 14 (6), 1444-1453 (2001).
  38. Groppa, S., et al. The human dorsal premotor cortex facilitates the excitability of ipsilateral primary motor cortex via a short latency cortico-cortical route. Human Brain Mapping. 33 (2), 419-430 (2011).
  39. Shirota, Y., et al. Increased primary motor cortical excitability by a single-pulse transcranial magnetic stimulation over the supplementary motor area. Experimental Brain Research. 219 (3), 339-349 (2012).
  40. Cattaneo, L., Barchiesi, G. Transcranial Magnetic Mapping of the Short-Latency Modulations of Corticospinal Activity from the Ipsilateral Hemisphere during Rest. Frontiers in Neural Circuits. 5, 14 (2011).
  41. Brown, M. J. N., et al. Somatosensory-motor cortex interactions measured using dual-site transcranial magnetic stimulation. Brain Stimulation. 12 (5), 1229-1243 (2019).
  42. Brown, M. J. N., Goldenkoff, E. R., Chen, R., Gunraj, C., Vesia, M. Using Dual-Site Transcranial Magnetic Stimulation to Probe Connectivity between the Dorsolateral Prefrontal Cortex and Ipsilateral Primary Motor Cortex in Humans. Brain Sciences. 9 (8), 177 (2019).
  43. Vesia, M., et al. Functional interaction between human dorsal premotor cortex and the ipsilateral primary motor cortex for grasp plans. Neuroreport. 29, 1355-1359 (2018).
  44. Vesia, M., et al. Human dorsomedial parieto-motor circuit specifies grasp during the planning of goal-directed hand actions. Cortex. 92, 175-186 (2017).
  45. Vesia, M., Bolton, D. A., Mochizuki, G., Staines, W. R. Human parietal and primary motor cortical interactions are selectively modulated during the transport and grip formation of goal-directed hand actions. Neuropsychologia. 51 (3), 410-417 (2013).
  46. Davare, M., Kraskov, A., Rothwell, J. C., Lemon, R. N. Interactions between areas of the cortical grasping network. Current Opinion in Neurobiology. 21 (4), 565-570 (2011).
  47. Davare, M., Rothwell, J. C., Lemon, R. N. Causal connectivity between the human anterior intraparietal area and premotor cortex during grasp. Current Biology. 20 (2), 176-181 (2010).
  48. Davare, M., Lemon, R., Olivier, E. Selective modulation of interactions between ventral premotor cortex and primary motor cortex during precision grasping in humans. The Journal of Physiology. 586, 2735-2742 (2008).
  49. Davare, M., Montague, K., Olivier, E., Rothwell, J. C., Lemon, R. N. Ventral premotor to primary motor cortical interactions during object-driven grasp in humans. Cortex. 45 (9), 1050-1057 (2009).
  50. Schintu, S., et al. Paired-Pulse Parietal-Motor Stimulation Differentially Modulates Corticospinal Excitability across Hemispheres When Combined with Prism Adaptation. Neural Plasticity. 2016 (4-6), 1-9 (2016).
  51. Isayama, R., et al. Rubber hand illusion modulates the influences of somatosensory and parietal inputs to the motor cortex. Journal of Neurophysiology. 121 (2), 563-573 (2019).
  52. Karabanov, A., et al. Timing-dependent modulation of the posterior parietal cortex-primary motor cortex pathway by sensorimotor training. Journal of Neurophysiology. 107 (11), 3190-3199 (2012).
  53. Picazio, S., et al. Prefrontal Control over Motor Cortex Cycles at Beta Frequency during Movement Inhibition. Current Biology. 24 (24), 2940-2945 (2014).
  54. Mackenzie, T. N., et al. Human area 5 modulates corticospinal output during movement preparation. Neuroreport. 27 (14), 1056-1060 (2016).
  55. Groppa, S., et al. A novel dual-site transcranial magnetic stimulation paradigm to probe fast facilitatory inputs from ipsilateral dorsal premotor cortex to primary motor cortex. NeuroImage. 62 (1), 500-509 (2012).
  56. O’Shea, J., Sebastian, C., Boorman, E. D., Johansen-Berg, H., Rushworth, M. F. S. Functional specificity of human premotor-motor cortical interactions during action selection. The European Journal of Neuroscience. 26 (7), 2085-2095 (2007).
  57. Mars, R. B., et al. Short-latency influence of medial frontal cortex on primary motor cortex during action selection under conflict. The Journal of Neuroscience. 29 (21), 6926-6931 (2009).
  58. Hasan, A., et al. Muscle and timing-specific functional connectivity between the dorsolateral prefrontal cortex and the primary motor cortex. Journal of Cognitive Neuroscience. 25 (4), 558-570 (2013).
  59. Fujiyama, H., et al. Age-Related Changes in Frontal Network Structural and Functional Connectivity in Relation to Bimanual Movement Control. The Journal of Neuroscience. 36 (6), 1808-1822 (2016).
  60. Koch, G., et al. Functional Interplay between Posterior Parietal and Ipsilateral Motor Cortex Revealed by Twin-Coil Transcranial Magnetic Stimulation during Reach Planning toward Contralateral Space. The Journal of Neuroscience. 28 (23), 5944-5953 (2008).
  61. Koch, G., et al. In vivo definition of parieto-motor connections involved in planning of grasping movements. NeuroImage. 51 (1), 300-312 (2010).
  62. Koch, G., et al. Resonance of cortico-cortical connections of the motor system with the observation of goal directed grasping movements. Neuropsychologia. 48 (12), 3513-3520 (2010).
  63. Koch, G., et al. Time course of functional connectivity between dorsal premotor and contralateral motor cortex during movement selection. The Journal of Neuroscience. 26 (28), 7452-7459 (2006).
  64. Koch, G., Rothwell, J. C. TMS investigations into the task-dependent functional interplay between human posterior parietal and motor cortex. Behavioural Brain Research. 202 (2), 147-152 (2009).
  65. Lago, A., et al. Ventral premotor to primary motor cortical interactions during noxious and naturalistic action observation. Neuropsychologia. 48 (6), 1802-1806 (2010).
  66. Picazio, S., Ponzo, V., Koch, G. Cerebellar Control on Prefrontal-Motor Connectivity During Movement Inhibition. The Cerebellum. 15 (6), 680-687 (2015).
  67. Byblow, W. D., et al. Functional Connectivity Between Secondary and Primary Motor Areas Underlying Hand-Foot Coordination. Journal of Neurophysiology. 98 (1), 414-422 (2007).
  68. Rizzo, V., et al. Associative cortico-cortical plasticity may affect ipsilateral finger opposition movements. Behavioural Brain Research. 216 (1), 433-439 (2011).
  69. Rizzo, V., et al. Paired Associative Stimulation of Left and Right Human Motor Cortex Shapes Interhemispheric Motor Inhibition based on a Hebbian Mechanism. Cerebral Cortex. 19 (4), 907-915 (2009).
  70. Koganemaru, S., et al. Human motor associative plasticity induced by paired bihemispheric stimulation. The Journal of Physiology. 587 (19), 4629-4644 (2009).
  71. Arai, N., et al. State-dependent and timing-dependent bidirectional associative plasticity in the human SMA-M1 network. Journal of Neuroscience. 31 (43), 15376-15383 (2011).
  72. Fiori, F., Chiappini, E., Avenanti, A. Enhanced action performance following TMS manipulation of associative plasticity in ventral premotor-motor pathway. NeuroImage. 183, 847-858 (2018).
  73. Chiappini, E., Silvanto, J., Hibbard, P. B., Avenanti, A., Romei, V. Strengthening functionally specific neural pathways with transcranial brain stimulation. Current Biology. 28 (13), 735-736 (2018).
  74. Romei, V., Chiappini, E., Hibbard, P. B., Avenanti, A. Empowering Reentrant Projections from V5 to V1 Boosts Sensitivity to Motion. Current Biology. 26 (16), 2155-2160 (2016).
  75. Zittel, S., et al. Effects of dopaminergic treatment on functional cortico-cortical connectivity in Parkinson’s disease. Experimental Brain Research. 233 (1), 329-337 (2014).
  76. Nelson, A. J., Hoque, T., Gunraj, C., Ni, Z., Chen, R. Impaired interhemispheric inhibition in writer’s cramp. Neurology. 75 (5), 441-447 (2010).
  77. Murase, N., Duque, J., Mazzocchio, R., Cohen, L. G. Influence of interhemispheric interactions on motor function in chronic stroke. Annals of Neurology. 55 (3), 400-409 (2004).
  78. Bonnì, S., et al. Altered Parietal-Motor Connections in Alzheimer’s Disease Patients. Journal of Alzheimer’s Disease. 33 (2), 525-533 (2012).
  79. Koch, G., et al. Altered dorsal premotor-motor interhemispheric pathway activity in focal arm dystonia. Movement Disorders. 23 (5), 660-668 (2008).
  80. Koch, G., et al. Hyperexcitability of parietal-motor functional connections in the intact left-hemisphere of patients with neglect. Brain. 131, 3147-3155 (2008).
  81. Di Lorenzo, F., et al. Long-term potentiation-like cortical plasticity is disrupted in Alzheimer’s disease patients independently from age of onset. Annals of Neurology. 80 (2), 202-210 (2016).
  82. Ponzo, V., et al. Altered inhibitory interaction among inferior frontal and motor cortex in l-dopa-induced dyskinesias. Movement Disorders. 31 (5), 755-759 (2016).
  83. Koch, G., et al. Effect of Cerebellar Stimulation on Gait and Balance Recovery in Patients With Hemiparetic Stroke. JAMA Neurology. 76 (2), 170-178 (2018).
  84. Palomar, F. J., et al. Parieto-motor functional connectivity is impaired in Parkinson’s disease. Brain Stimulation. 6 (2), 147-154 (2013).
  85. Udupa, K., et al. Cortical Plasticity Induction by Pairing Subthalamic Nucleus Deep-Brain Stimulation and Primary Motor Cortical Transcranial Magnetic Stimulation in Parkinson’s Disease. The Journal of Neuroscience. 36 (2), 396-404 (2016).
  86. Ugawa, Y., Uesaka, Y., Terao, Y., Hanajima, R., Kanazawa, I. Magnetic stimulation over the cerebellum in humans. Annals of Neurology. 37 (6), 703-713 (1995).
  87. Pinto, A. D., Chen, R. Suppression of the motor cortex by magnetic stimulation of the cerebellum. Experimental Brain Research. 140 (4), 505-510 (2001).
  88. Kohl, S., et al. Cortical Paired Associative Stimulation Influences Response Inhibition Cortico-cortical and Cortico-subcortical Networks. Biological Psychiatry. 85 (4), 355-363 (2019).
  89. Casula, E. P., Pellicciari, M. C., Picazio, S., Caltagirone, C., Koch, G. Spike-timing-dependent plasticity in the human dorso-lateral prefrontal cortex. NeuroImage. 143, 204-213 (2016).
  90. Veniero, D., Ponzo, V., Koch, G. Paired Associative Stimulation Enforces the Communication between Interconnected Areas. Journal of Neuroscience. 33 (34), 13773-13783 (2013).
  91. Tremblay, S., et al. Clinical utility and prospective of TMS-EEG. Clinical Neurophysiology. 130 (5), 802-844 (2019).
  92. Johnen, V. M., Neubert, F. X., Buch, E. R., Verhagen, L. Causal manipulation of functional connectivity in a specific neural pathway during behaviour and at rest. eLife. 4, 04585 (2015).
  93. Santarnecchi, E., et al. Modulation of network-to-network connectivity via spike-timing-dependent noninvasive brain stimulation. Human Brain Mapping. 39 (12), 4870-4883 (2018).
  94. Bergmann, T. O., Karabanov, A., Hartwigsen, G., Thielscher, A., Siebner, H. R. Combining non-invasive transcranial brain stimulation with neuroimaging and electrophysiology: Current approaches and future perspectives. NeuroImage. 140, 4-19 (2016).
  95. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Screening questionnaire before TMS: An update. Clinical Neurophysiology. 122 (8), 1686 (2011).
  96. Keel, J. C., Smith, M. J., Wassermann, E. M. A safety screening questionnaire for transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 112 (4), 720 (2001).
  97. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord and roots: basic principles and procedures for routine clinical application. Report of an IFCN committee. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 91 (2), 79-92 (1994).
  98. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  99. Wassermann, E. M. Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation: report and suggested guidelines from the International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 108 (1), 1-16 (1998).
  100. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety of TMS Consensus Group. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clinical Neurophysiology. 120 (12), 2008-2039 (2009).
  101. Oldfield, R. C. The assessment and analysis of handedness: the Edinburgh inventory. Neuropsychologia. 9 (1), 97-113 (1971).
  102. Villamar, M. F., et al. Technique and Considerations in the Use of 4×1 Ring High-definition Transcranial Direct Current Stimulation (HD-tDCS). Journal of Visualized Experiments. (77), e50309 (2013).
  103. Sack, A. T., et al. Optimizing functional accuracy of TMS in cognitive studies: a comparison of methods. Journal of Cognitive Neuroscience. 21 (2), 207-221 (2009).
  104. Yousry, T. A., et al. Localization of the motor hand area to a knob on the precentral gyrus. A new landmark. Brain. 120, 141-157 (1997).
  105. Groppa, S., et al. A practical guide to diagnostic transcranial magnetic stimulation: Report of an IFCN committee. Clinical Neurophysiology. 123 (5), 858-882 (2012).
  106. Cattaneo, L., et al. A cortico-cortical mechanism mediating object-driven grasp in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (3), 898-903 (2005).
  107. Hebb, D. O. . The organization of behavior: A neurophysiological approach. , (1949).
  108. Caporale, N., Dan, Y. Spike Timing-Dependent Plasticity: A Hebbian Learning Rule. Annual Review of Neuroscience. 31 (1), 25-46 (2008).
  109. Markram, H., Lübke, J., Frotscher, M., Sakmann, B. Regulation of synaptic efficacy by coincidence of postsynaptic APs and EPSPs. Science. 275 (5297), 213-215 (1997).
  110. Jackson, A., Mavoori, J., Fetz, E. E. Long-term motor cortex plasticity induced by an electronic neural implant. Nature. 444 (7115), 56-60 (2006).
  111. Koch, G., Ponzo, V., Di Lorenzo, F., Caltagirone, C., Veniero, D. Hebbian and Anti-Hebbian Spike-Timing-Dependent Plasticity of Human Cortico-Cortical Connections. Journal of Neuroscience. 33 (23), 9725-9733 (2013).
  112. Romei, V., Thut, G., Silvanto, J. Information-Based Approaches of Noninvasive Transcranial Brain Stimulation. Trends in Neurosciences. 39 (11), 782-795 (2016).
  113. Carson, R. G., et al. Excitability changes in human forearm corticospinal projections and spinal reflex pathways during rhythmic voluntary movement of the opposite limb. The Journal of Physiology. 560, 929-940 (2004).

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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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