Misurazione e manipolazione dei percorsi neurali funzionalmente specifici nel sistema motorio umano con stimolazione magnetica transcranica

La stimolazione cerebrale non invasiva è uno strumento di valutazione promettente e trattamento per molti disturbi neurologici, come il morbo di Parkinson, il morbo di Alzheimer e l’ictus^1,2,3,4. Ci sono prove accumulatrici che stabiliscono la relazione tra le manifestazioni comportamentali delle malattie neurologiche e le anomalie dell’eccitabilità corticale, neuroplasticità, corticocortical e connettività cortico-subcorticale^5,6. Pertanto, le conoscenze di base sulle dinamiche della rete cerebrale e la plasticità in condizioni neurologiche possono fornire informazioni preziose sulla diagnosi, la progressione e la risposta alla terapia della malattia. La risonanza magnetica funzionale (fMRI) è uno strumento utile per comprendere le complesse relazioni tra cervello e comportamento in reti cerebrali sane e malate e ha il potenziale per migliorare il trattamento sulla base di una prospettiva di rete^7,8,9. Tuttavia, larisonanza magnetica è di natura correlazionale e non può fornire un nesso causale tra la funzione e il comportamento del cervello, né manipolare la connettività funzionale per ripristinare circuiti neurali anomali associati a disturbi comportamentali nei pazienti^10,11,12. La stimolazione magnetica transcranica (TMS) può sia misurare causalmente che modulare la funzione e il comportamento del cervello umano nella salute e nella malattia^3,13,14,15.

Il TMS è un metodo sicuro e non invasivo per stimolare il cervello umano^16,17e può essere utilizzato per indurre e misurare la plasticità¹⁸. Questo metodo può far progredire la nostra comprensione delle relazioni causali tra le singole aree cerebrali e il comportamento^10,11,12,19e le loro specifiche interazioni funzionali con altri nodi di una rete cerebrale^20,21,22,23. Fino ad oggi, la maggior parte degli studi si sono concentrati sul sistema motorio umano, dato che la TMS all’area della mano della corteccia motoria (M1) può produrre potenziali motori (MEP) come letture fisiologiche per i cambiamenti associati al comportamento motorio²⁴, consentendo l’esame di circuiti inibitori ed eccitatori diversi a livello di sistema nel cervello umano²⁵. Recenti progressi utilizzando un approccio TMS test di condizionamento con due bobine mostrano che è possibile misurare le interazioni funzionali tra diverse aree corticali. Nel sistema motorio, gli esperimenti TMS a doppio sito mostrano che gli input provenienti da aree corticali interconnesse con M1 possono cambiare con le esigenze di attività, l’età o la malattia^14,26. Il lavoro seminale di Ferbert e colleghi ha scoperto che l’applicazione di uno stimolo di condizionamento a M1 prima di uno stimolo di prova dell’altro M1 può provocare l’inibizione dell’ampiezza dell’euroutente, un fenomeno noto come inibizione interhemispheric a breve intervallo (SIHI)²⁸. Una serie di studi TMS che utilizzano questo approccio hanno anche dimostrato che M1 è fortemente interconnesso con il controlaterale M1, la corteccia premotoria ventrale (PMv), la corteccia premotoria dorsale (PMd), l’area motoria supplementare (SMA), la corteccia sensoriale primaria (S1), corteccia prefrontale dorsolaterale (DLPFC) e corteccia parietale posteriore (PPC) a riposo^{27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42}. È interessante notare che l’effetto della stimolazione da queste aree corticali sull’eccitabilità corticale motoria è anatomicamente, temporalmente e funzionalmente specifico per l’attività cerebrale in corso durante la preparazione di un movimento (dipendente dallo stato e dal contesto^{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}). Tuttavia, pochissimi studi che utilizzano Il TMS a doppio sito hanno caratterizzato modelli di connettività cortico-corticale funzionale con disturbi motori e cognitivi in pazienti con disturbi cerebrali^70,71,72. Ciò offre l’opportunità di sviluppare nuovi metodi per valutare e trattare i disturbi motori e cognitivi.

Utilizzando questa tecnica, si è anche scoperto che ripetute coppie di TMS corticali applicate alle aree corticali interconnesse con M1 come il contralaterale M1^68,69,70, PMv^76,77,78, SMA⁷¹e PPC^80,81,82 possono indurre cambiamenti nell’efficienza sinaptica in specifici percorsi neurali basati sul principio Hebbian di tossicità associativa^{83 ,84,85,86} e migliorare le prestazioni comportamentali^72,73,74. Ancora, pochi studi hanno utilizzato questo approccio per studiare la disfunzione del circuito e plasticità nei disturbi neurologici^{2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96}. Resta da dimostrare se rafforzare le vie neurali funzionalmente specifiche con TMS può ripristinare l’attività nei circuiti disfunzionali, o se il rafforzamento prospettico del circuito intatto può aumentare la resilienza⁹⁷ nelle reti cerebrali che supportano la funzione motoria e cognitiva in tutta la durata della vita e nella malattia. La mancanza di comprensione fondamentale dei meccanismi neurali alla base dei disturbi neurologici e degli effetti della stimolazione su reti cerebrali disfunzionali interconnesse limita il trattamento corrente.

Nonostante la sua capacità, TMS deve ancora diventare una parte standard dell’armamentario delle neuroscienze e degli strumenti clinici per comprendere le relazioni cervello-comportamento, la fisiofisiologia dei disturbi cerebrali e l’efficacia del trattamento. Pertanto, per realizzare il suo potenziale e sostenere la sua applicazione su larga scala, standardizzare i metodi TMS è importante perché è più probabile che aumenti il rigore dei futuri esperimenti TMS e riproducibilità in laboratori indipendenti. In questo articolo viene descritto come TMS può essere utilizzato sia per misurare che per manipolare le interazioni funzionali. In questo caso, descriviamo questa tecnica nel sistema motorio (ad esempio, parieto-motore percorso⁴⁴) misurando le misure di uscita basate su TMS (ad esempio, i deputati), dove il metodo è meglio compreso. Tuttavia, è importante notare che questo protocollo può anche essere adattato per l’accoppiamento funzionale di altri subcorticali⁸⁵, cerebellar^86,87, e le aree corticali. ^73,74,88 Inoltre, tecniche di neuroimaging come EEG^89,90,91 e fMRI^92,93 possono essere utilizzati per valutare i cambiamenti indotti da TMS in attività e connettività^26,94. Concludiamo proponendo che lo studio del coinvolgimento funzionale della connettività corticale a livello di circuito con questi metodi TMS sia in salute che in malattia consente di sviluppare diagnosi mirate e terapie innovative basate su modelli di rete più sofisticati delle relazioni cervello-comportamento.