Medir e manipular vias neurais funcionalmente específicas no sistema motor humano com estimulação magnética transcraniana

A estimulação cerebral não invasiva é uma ferramenta de avaliação promissora e tratamento para muitos distúrbios neurológicos, como doença de Parkinson, doença de Alzheimer e derrame^1,2,3,4. Há evidências acumuladas estabelecendo a relação entre as manifestações comportamentais de doenças neurológicas e anormalidades da excitabilidade cortical, neuroplasticidade, conectividade cortico-cortical e cortico-subcortical^5,6. Portanto, o conhecimento básico sobre dinâmica da rede cerebral e plasticidade em condições neurológicas pode fornecer uma visão inestimável sobre o diagnóstico, a progressão e a resposta à terapia. A ressonância magnética funcional(fRessonância Magnética) é uma ferramenta útil para entender as complexas relações entre cérebro e comportamento em redes cerebrais saudáveis e doentes e tem o potencial de melhorar o tratamento com base em uma perspectiva de rede^7,8,9. No entanto, a ressonância magnética fé correlação na natureza e não pode fornecer uma ligação causal entre a função e o comportamento do cérebro, nem manipular a conectividade funcional para restaurar circuitos neurais anormais associados a deficiências comportamentais em pacientes^10,11,12. A estimulação magnética transcraniana (TMS) pode medir e modular a função e o comportamento cerebral humano na saúde e doença^3,13,14,15.

TMS é um método seguro e não invasivo para estimular o cérebro humano^16,17e pode ser usado para induzir e medir plasticidade¹⁸. Este método pode avançar nossa compreensão das relações causais entre áreas cerebrais individuais e comportamento^10,11,12,19e suas interações funcionais específicas com outros nódulos de uma rede cerebral^20,21,22,23. Até o momento, a maioria dos estudos se concentrou no sistema motor humano, dado que o TMS na área manual do córtex motor (M1) pode produzir potenciais espumários (MEPs) como leituras fisiológicas para mudanças associadas ao comportamento motor²⁴, permitindo o exame de diferentes circuitos inibidores e excitatórios no nível do sistema no cérebro humano²⁵. Avanços recentes usando uma abordagem tms de teste de condicionamento com duas bobinas mostram que é possível medir interações funcionais entre diferentes áreas corticais. No sistema motor, experimentos de TMS de dois locais mostram que insumos de áreas corticais interligadas com M1 podem mudar com demandas de tarefas, idade ou doença^14,26. O trabalho seminal de Ferbert e colegas descobriu que aplicar um estímulo de condicionamento ao M1 antes de um estímulo de teste do outro M1 pode resultar em inibição da amplitude do EUROP, fenômeno conhecido como inibição intermemisférica de intervalo curto (SIHI)²⁸. Vários estudos de TMS usando essa abordagem também mostraram que o M1 está fortemente interligado com o M1 contralateral, córtex pré-motor ventral (PMv), córtex pré-motor dorsal (PMd), área motora suplementar (SMA), pré-SMA, córtex sensorial primário (S1), córtex pré-frontal dorsolateral (DLPFC) e córtex parietal posterior (PPC) em repouso^{27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42}. Curiosamente, o efeito da estimulação dessas áreas corticais na excitabilidade cortical motora é anatomicamente, temporalmente e funcionalmente específico para a atividade cerebral em curso durante a preparação de um movimento (estado e dependente do contexto^{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}). No entanto, pouquíssimos estudos usando TMS de dois sites caracterizaram padrões de conectividade cortico-cortical funcional com prejuízos motores e cognitivos em pacientes com distúrbios cerebrais^70,71,72. Isso oferece oportunidades para desenvolver novos métodos para avaliar e tratar distúrbios motores e cognitivos.

Utilizando essa técnica, verificou-se também que pares repetidos de TMS cortical aplicados a áreas corticais interligadas com M1 como o contralateral M1^68,69,70, PMv^76,77^,78, SMA⁷¹, e PPC^80,81,82 podem induzir mudanças na eficiência sináptica em vias neurais específicas baseadas no princípio hebésio de plástico associativo^{83 ,84,85,86} e melhorar o desempenho comportamental^72,73,74. Ainda assim, poucos estudos têm utilizado essa abordagem para estudar circuito e disfunção de plasticidade em distúrbios neurológicos^{2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96}. Resta mostrar se o fortalecimento de vias neurais funcionalmente específicas com TMS pode restaurar a atividade em circuitos disfuncionais, ou se o potencial fortalecimento de circuitos intactos pode aumentar a resiliência⁹⁷ em redes cerebrais que suportam a função motora e cognitiva ao longo da vida útil e na doença. A falta de compreensão fundamental dos mecanismos neurais subjacentes a distúrbios neurológicos e efeitos da estimulação em redes cerebrais disfuncionais interconectadas limita o tratamento atual.

Apesar de sua capacidade, a TMS ainda não se tornou uma parte padrão do armamento da neurociência e ferramentas clínicas para entender as relações de comportamento cerebral, fisiopatologia de distúrbios cerebrais e a eficácia do tratamento. Portanto, para realizar seu potencial e apoiar sua aplicação em larga escala, padronizar métodos TMS é importante porque é mais provável aumentar o rigor de futuros experimentos de TMS e reprodutibilidade em laboratórios independentes. Este artigo descreve como o TMS pode ser usado tanto para medir e manipular interações funcionais. Aqui, descrevemos essa técnica no sistema motor (por exemplo, a via parieto-motor⁴⁴) medindo medidas de saída baseadas em TMS (por exemplo, MEPs), onde o método é melhor compreendido. No entanto, é importante notar que este protocolo também pode ser adaptado para o acoplamento funcional alvo de outras áreas subcorticais⁸⁵, cerebellar^86,87, e cortical. ^73,74,88 Além disso, técnicas de neuroimagem como EEG^89,90,91 e fMRI^92,93 podem ser utilizadas para avaliar as alterações induzidas pelo TMS na atividade e conectividade^26,94. Concluímos propondo que o estudo do envolvimento funcional da conectividade cortical de nível de circuito com esses métodos tms tanto em saúde quanto em doenças possibilita desenvolver diagnósticos direcionados e terapias inovadoras baseadas em modelos de rede mais sofisticados de relações de comportamento cerebral.