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Neuroscience

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…

Disclosures

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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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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