末梢神経刺激と制御可能なパルスパラメータの組み合わせ 感覚運動の制御と学習をプローブするための経頭蓋磁気刺激

複数の感覚運動ループが運動皮質に収束し、脊髄運動ニューロンおよび介在ニューロンへの錐体路突起を形作る¹。しかし、これらの感覚運動ループがどのように相互作用して皮質脊髄投射と運動行動を形成するかは未解決の問題のままです。短潜時求心性抑制(SAI)は、運動皮質出力における収束感覚運動ループの機能特性を調べるためのツールを提供します。SAIは、運動皮質経頭蓋磁気刺激(TMS)と対応する末梢求心性神経の電気刺激を組み合わせたものです。

TMSは、ヒトの脳内で錐体運動ニューロンをシナプス的に安全に刺激する非侵襲的な方法です^2,3。TMSでは、頭皮に配置されたコイル状のワイヤーに大きな過渡電流を流します。電流の過渡的な性質は、急速に変化する磁場を作り出し、脳⁴に電流を誘導する。単一のTMS刺激の場合、誘導電流は、錐体運動ニューロン^5〜7への一連の興奮性入力を活性化する。生成された興奮性入力の強度が十分である場合、下降活動は運動誘発電位(MEP)として知られる対側の筋肉反応を誘発します。MEPの潜時は、皮質運動伝導時間⁸を反映しています。MEPの振幅は、皮質脊髄ニューロン⁹の興奮性を指標化する。MEPを誘発する単一のTMS刺激は、コンディショニング刺激¹⁰、^11、12によって先行することもできる。これらのペアパルスパラダイムは、皮質脊髄出力に対するさまざまな介在ニューロンプールの影響を指標化するために使用できます。SAIの場合、末梢電気調整刺激は、運動皮質興奮性に対する求心性ボレーの影響を調べるために使用される¹¹、¹³、^14、15。TMS刺激と末梢電気刺激の相対的なタイミングは、運動皮質に対するTMS刺激の作用を運動皮質への求心性投射の到着と一致させます。遠位上肢筋のSAIの場合、正中神経刺激は通常、TMS刺激に18〜24ミリ秒^{先行します11}、¹³、^15、16。同時に、SAIは、末梢刺激によって誘発される求心性ボレーの強度が増加するにつれて増加する^13,17,18。

運動皮質への求心性投射の外因性特性との強い関連にもかかわらず、SAIは多くの運動制御プロセスに関与する可鍛性現象です。例えば、SAIは、差し迫った運動の前にタスク関連筋肉で^{減少するが、}隣接するタスク無関係^{な運動表現19}、^20、22では維持される。タスク関連性に対する感度は、望ましくないエフェクター動員を減少させることを目的とする周囲阻害メカニズム²³を反映すると仮定される。より最近では、タスク関連エフェクタにおけるSAIの減少は、予想される感覚求心性²¹を抑制し、感覚運動計画および実行中の修正を容易にするように設計された運動関連ゲーティング現象を反映し得ることが提案された²⁴。特定の機能的役割に関係なく、SAIは手先の器用さおよび処理効率の低下と相関している²⁵。SAIの変化は、高齢者26の転倒リスクの増加、パーキンソン病26^、27、28および局所性手ジストニア²⁹の感覚運動機能の低下にも関連しています。

臨床的および薬理学的証拠は、SAIを媒介する阻害経路が中枢コリン作動性調節に感受性であることを示している³⁰。例えば、ムスカリン性アセチルコリン受容体アンタゴニストスコポラミンを投与すると、^SAI31が減少する。対照的に、アセチルコリンエステラーゼ阻害剤を介してアセチルコリンの半減期を増加させると、SAI^32,33が増強されます。薬理学的証拠と一致して、SAIは、覚醒^{34、報酬35}、注意の割り当て²¹、36、37、および記憶³⁸、^39、40を含む、中枢コリン作動性の関与を伴ういくつかの認知プロセスに敏感である。SAIは、アルツハイマー病41,42,43,44,45,46,47、パーキンソン病(軽度認知障害)48,49,50、軽度認知障害⁴⁷などのコリン作動性ニューロンの喪失に関連する認知障害を有する臨床集団においても変化します^。51,52。さまざまなγアミノ酪酸A型(_GABAA)受容体サブユニットタイプに対する異なる親和性を持つさまざまなベンゾジアゼピンによるSAIの差動調節は、SAI阻害経路が他の形態のペアパルス阻害を媒介する経路とは異なることを示唆しています³⁰。例えば、ロラゼパムはSAIを減少させるが、短間隔皮質阻害(SICI)を増強する⁵³。ゾルピデムはSAIを低下させますが、SICI⁵³にはほとんど効果がありません。.ジアゼパムはSICIを増加させるが、SAI⁵³にはほとんど影響を与えない。GABAA受容体機能のこれらの正のアロステリックモジュレーターによるSAIの減少は、GABAが脳幹および皮質⁵⁴におけるアセチルコリンの放出を制御するという観察と相まって、_GABAが感覚運動皮質に投射するコリン作動性経路を調節してSAI⁵⁵に影響を与えるという仮説につながった。

最近、SAIは、手続き型運動制御プロセスを設定する感覚運動ループと、手続き型プロセスを明示的なトップダウン目標および認知制御プロセスに合わせる感覚運動ループとの間の相互作用を調査するために使用されています21,36,37,38。SAI³¹における中心的なコリン作動性の関与は、SAIが手続き的感覚運動制御および学習に対する実行的影響を指標化する可能性があることを示唆している。重要なことに、これらの研究は、異なるTMS電流方向を使用してSAIを評価することにより、特定の感覚運動回路に対する認知の固有の効果を特定し始めています。SAI研究は通常、後前(PA)誘導電流を採用していますが、前後(AP)誘導電流を採用しているSAI研究はほんの一握りです⁵⁵。しかし、TMSを使用して、SAI評価中にPA電流と比較してAPを誘導することは、異なる感覚運動回路を動員する^16、56。例えば、AP感受性であるがPA感受性ではない感覚運動回路は、小脳変調によって変化する^37、56。さらに、AP感受性であるがPA感受性ではない感覚運動回路は、注意負荷³⁶によって変調される。最後に、注意および小脳の影響は、同じAP感受性感覚運動回路に収束し、これらの回路における不適応変化をもたらす可能性がある³⁷。

TMS技術の進歩は、シングルパルス、ペアパルス、および反復アプリケーションの間に使用されるTMS刺激の構成を操作するためのさらなる柔軟性を提供する^57、58。制御可能なパルスパラメータTMS(cTMS)刺激器は現在、世界中で研究用に市販されており、これらはパルス幅および形状に対する柔軟な制御を提供する⁵⁷。柔軟性の向上は、それぞれがTMS刺激の別々の位相を担当する2つの独立したコンデンサの放電時間を制御することから生じます。刺激の二相性または単相性の性質は、M比と呼ばれるパラメータである各コンデンサからの相対放電振幅によって支配されます。cTMSの研究では、パルス幅操作と異なる電流方向を組み合わせて、従来のTMS刺激装置で使用される固定パルス幅(70-82μs)^59,60が、SAI⁵⁶中に機能的に異なる感覚運動回路の組み合わせを動員する可能性が高いことを実証しました。したがって、cTMSは、感覚運動のパフォーマンスと学習におけるさまざまな収束感覚運動ループの機能的重要性をさらに解きほぐすためのエキサイティングなツールです。

この原稿は、感覚運動行動中の末梢電気刺激とcTMSを統合する感覚運動統合を研究するためのユニークなSAIアプローチを詳述しています。このアプローチは、進行中の感覚運動行動中の皮質脊髄出力を支配する運動皮質の選択された介在ニューロン集団に対する求心性投射の効果を評価することにより、典型的なSAIアプローチを改善します。比較的新しいものですが、cTMSは、典型的な集団と臨床集団における感覚運動統合を研究する上で明確な利点を提供します。さらに、現在のアプローチは、従来のTMS刺激装置での使用や、長期求心性促進(LAI)¹³ や短遅延求心性促進(SAF)¹⁵などの他の形態の求心性抑制および促進を定量化するために容易に適合させることができます。