Измерение и манипулирование функционально специфическими нейронными путями в моторной системе человека с транскраниальной магнитной стимуляцией

Неинвазивная стимуляция мозга является перспективным инструментом оценки и лечения многих неврологических расстройств, таких как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, и инсульт^1,2,3,4. Существует накопление доказательств установления связи между поведенческими проявлениями неврологических заболеваний и аномалии корковой возбудимости, нейропластичность, кортико-кортикальной и кортико-субкортикальной связи^5,6. Таким образом, базовые знания о динамике мозговой сети и пластичности в неврологических условиях могут обеспечить бесценное понимание диагностики заболеваний, прогрессирования и реакции на терапию. Функциональная магнитно-резонансная томография(fМРТ) является полезным инструментом для понимания сложных отношений между мозгом и поведением в здоровых и больных сетях мозга и имеет потенциал для улучшения лечения на основе сетевой перспективы^7,8,9. Тем не менее, FМРТ является корреляционным по своему характеру и не может обеспечить причинно-следственную связь между функцией мозга и поведением, ни манипулировать функциональной связи для восстановления аномальных нейронных цепей, связанных с поведенческими нарушениями у пациентов^10,11,12. Транскраниальная магнитная стимуляция (TMS) может как причинно измерять, так и модулировать функцию и поведение мозга человека в области здоровья и болезни^3,13,14,15.

TMS является безопасным, неинвазивным методом стимулирования человеческого мозга^16,17и может быть использован для индуцирования и измерения пластичности¹⁸. Этот метод может продвинуть наше понимание причинно-следственных связей между отдельными областями мозга и поведением^10,11,12,19и их специфические функциональные взаимодействия с другими узлами мозговой сети^20,21,22,23. На сегодняшний день большинство исследований были сосредоточены на двигательной системе человека, учитывая, что TMS в области рук окоражного двигателя (M1) может производить двигатель вызванные потенциалы (MEPs) как физиологические считывания для изменений, связанных с поведением двигателя²⁴, что позволяет иссмотреть различные ингибирующие и возбуждающие цепи на системном уровне в мозге человека²⁵. Последние достижения с использованием кондиционирования тест TMS подход с двумя катушками показывают, что можно измерить функциональные взаимодействия между различными корковых областях. В моторной системе эксперименты TMS с двойным участком показывают, что входы из корковых областей, связанных с M1, могут меняться с требованиями задач, возрастом или болезнью^14,26. Семинальная работа Ферберта и его коллег обнаружила, что применение стимула кондиционирования к M1 до испытательного стимула других M1 может привести к ингибированию амплитуды MEP, явление, известное как короткое интергемистическое ингибирование интергемэфиков (SIHI)²⁸. Ряд исследований TMS с использованием этого подхода также показали, что M1 тесно связан адругойальной M1, брюшной премоторной коры (PMv), дорсальной премоторной коры (PMd), дополнительной двигательной области (SMA), предварительно SMA, первичной сенсорной коры (S1), дорсолатеральной префронтальной коры (DLPFC), и задней теменной коры (КПП) в состоянии покоя^{27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42}. Интересно, что влияние стимуляции из этих корковых областей на двигательную возбудимость коры анатомически, временно и функционально специфична для текущей активности мозга во время подготовки движения (состояние- и контекст-зависимых^{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}). Тем не менее, очень немногие исследования с использованием двойного сайта TMS характеризуют модели функциональной кортико-корковой связи с двигательными и когнитивными нарушениями у пациентов с нарушениями мозга^70,71,72. Это дает возможность разработать новые методы оценки и лечения двигательных и когнитивных расстройств.

Используя этот метод, было также установлено, что повторяющиеся пары корковых TMS применяется к корковых областях, связанных с M1, таких как контрлатеральные M1^68,69,70, PMv^76,77,78, SMA⁷¹, и КПП^80,81,82 может вызвать изменения в синаптической эффективности в конкретных нейронных путей на основе принципа Хеббияна ассоциированной^{83 ,84,85,86} и повысить поведенческую производительность^72,73,74. Тем не менее, несколько исследований использовали этот подход для изучения цепи и пластичности дисфункции в неврологических расстройств^{2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96}. Это еще предстоит показать, является ли укрепление функционально специфических нервных путей с TMS может восстановить активность в дисфункциональных схем, или же предполагаемое укрепление нетронутыми схемы может увеличить устойчивость⁹⁷ в мозговых сетях поддержки двигательных и когнитивных функций на протяжении всей жизни и в болезни. Отсутствие фундаментального понимания нервных механизмов, лежащих в основе неврологических расстройств и последствий стимуляции на взаимосвязанные дисфункциональные сети мозга, ограничивает текущее лечение.

Несмотря на свои возможности, TMS до сих пор не стала стандартной частью вооружения неврологии и клинических инструментов для понимания отношений мозга и поведения, патофизиологии расстройств головного мозга, и эффективность лечения. Поэтому для реализации своего потенциала и поддержки его крупномасштабного применения важно стандартизацию методов TMS, поскольку это, скорее всего, повысит строгость будущих экспериментов TMS и воспроизводимость в независимых лабораториях. В этой статье описывается, как TMS может быть использован как для измерения, так и для манипулирования функциональными взаимодействиями. Здесь мы описываем эту технику в моторной системе (например, parieto-motor pathway⁴⁴) путем измерения показателей вывода на основе TMS (например, MEPs), где метод лучше всего понимается. Тем не менее, важно отметить, что этот протокол также может быть адаптирован к целевой функциональной связи других подкорковых⁸⁵, мозжечковой^86,87, и корковых областях. ^73,74,88 Кроме того, нейровизуализации методы, такие как ЭЭГ^89,90,91 и МРТ^92,93 могут быть использованы для оценки TMS-индуцированных изменений в деятельности и подключения^26,94. В заключение мы предлагаем, что изучение функционального участия корковой связи на уровне цепи с этими методами TMS как в области здоровья, так и при заболеваниях позволяет разрабатывать целевые диагнозы и инновационные методы лечения на основе более сложных сетевых моделей отношений между мозгом и поведением.