Комбинированная стимуляция периферических нервов и транскраниальная магнитная стимуляция с контролируемым параметром импульса для зондирования сенсомоторного контроля и обучения

Множественные сенсомоторные петли сходятся в моторной коре, образуя проекции пирамидного тракта на спинальные двигательные нейроны и интернейроны¹. Однако вопрос о том, как эти сенсомоторные петли взаимодействуют, формируя кортикоспинальные проекции и двигательное поведение, остается открытым. Афферентное торможение с короткой латентностью (SAI) предоставляет инструмент для исследования функциональных свойств конвергентных сенсомоторных петель в выходе моторной коры. ВОА сочетает моторную корковую транскраниальную магнитную стимуляцию (ТМС) с электрической стимуляцией соответствующего периферического афферентного нерва.

ТМС – это неинвазивный метод безопасной транссинаптической стимуляции пирамидных двигательных нейронов в головном мозге^{человека 2,3}. ТМС включает в себя прохождение большого переходного электрического тока через спиральную проволоку, размещенную на коже головы. Переходный характер электрического тока создает быстро изменяющееся магнитное поле, которое индуцирует электрический ток в мозге⁴. В случае однократного стимула ТМС индуцированный ток активирует серию возбуждающих входов в ^5-7 пирамидных двигательных нейронов. Если сила генерируемых возбуждающих входов достаточна, нисходящая активность вызывает контралатеральную мышечную реакцию, известную как моторно-вызванный потенциал (MEP). Латентность MEP отражает время кортикомоторной проводимости⁸. Амплитуда MEP индексирует возбудимость кортикоспинальных нейронов⁹. Единичному стимулу ТМС, вызывающему MEP, также может предшествовать обусловливающий стимул^10,11,12. Эти парадигмы парных импульсов могут быть использованы для индексации влияния различных пулов интернейронов на кортикоспинальный выход. В случае SAI периферический электрический кондиционирующий стимул используется для зондирования влияния афферентного залпа на двигательную корковую возбудимость^11,13,14,15. Относительное время стимуляции ТМС и периферической электрической стимуляции выравнивает действие стимула ТМС на моторную кору с приходом афферентных проекций в моторную кору. Для SAI в дистальных мышцах верхних конечностей стимул срединного нерва обычно предшествует стимулу TMS на 18-24 мс^11,13,15,16. В то же время SAI увеличивается по мере увеличения силы афферентного залпа, индуцированного периферическим стимулом, ^13,17,18.

Несмотря на тесную связь с внешними свойствами афферентной проекции на моторную кору, ВОА является податливым явлением, участвующим во многих процессах двигательного контроля. Например, SAI снижается в мышцах, относящихся к задаче, перед предстоящим движением 19,20,21, но сохраняется в смежных двигательных представлениях, не относящихся к задаче^19,20,22. Предполагается, что чувствительность к релевантности задачи отражает механизм²³ торможения объемного звучания, направленный на уменьшение нежелательного привлечения эффекторов. Совсем недавно было высказано предположение, что снижение SAI в эффекторе, относящемся к задаче, может отражать феномен стробирования, связанный с движением, предназначенный для подавления ожидаемого сенсорного сродства²¹ и облегчения коррекции во время сенсомоторного планирования и выполнения²⁴. Независимо от конкретной функциональной роли, SAI коррелирует со снижением ловкости рук и эффективности обработки²⁵. Измененный SAI также связан с повышенным риском падения у пожилых людей 26 и нарушением сенсомоторной функции при болезни Паркинсона 26,27,28 и у лиц с фокальной дистонией рук ²⁹.

Клинические и фармакологические данные указывают на то, что ингибирующие пути, опосредующие ВОА, чувствительны к центральной холинергической модуляции³⁰. Например, введение антагониста мускариновых ацетилхолиновых рецепторов скополамина снижает SAI³¹. Напротив, увеличение периода полувыведения ацетилхолина с помощью ингибиторов ацетилхолинэстеразы усиливает SAI^32,33. В соответствии с фармакологическими данными, SAI чувствителен к нескольким когнитивным процессам с центральным холинергическим вовлечением, включая возбуждение 34, вознаграждение³⁵, распределение внимания 21,36,37 и память^38,39,40. ВОА также изменяется в клинических популяциях с когнитивным дефицитом, связанным с потерей холинергических нейронов, таких как болезнь Альцгеймера 41,42,43,44,45,46,47, болезнь Паркинсона (с легкими когнитивными нарушениями)^48,49,50 и легкие когнитивные нарушения ^{47.С. 51,52.} Дифференциальная модуляция ВОА различными бензодиазепинами с дифференциальным сродством к различным типам субъединиц рецепторов γ-аминомасляной кислоты типа А (ГАМК_А) позволяет предположить, что пути ингибирования ВОА отличаются от путей, опосредующих другие формы ингибирования парных импульсов³⁰. Например, лоразепам снижает SAI, но усиливает кратковременное торможение коры головного мозга (SICI)⁵³. Золпидем снижает SAI, но мало влияет на SICI⁵³. Диазепам увеличивает SICI, но оказывает незначительное влияние на SAI⁵³. Снижение ВОА этими положительными аллостерическими модуляторами функции рецептора ГАМК_А в сочетании с наблюдением, что ГАМК контролирует высвобождение ацетилхолина в стволе мозга и^{коре 54}, привело к гипотезе о том, что ГАМК модулирует холинергический путь, который проецируется на сенсомоторную кору, чтобы влиять на ВОА⁵⁵.

В последнее время SAI используется для исследования взаимодействия между сенсомоторными петлями, которые устанавливают процессы процедурного моторного контроля, и теми, которые согласовывают процедурные процессы с явными нисходящими целями и процессами когнитивного контроля 21,36,37,38. Центральное холинергическое вовлечение в ВОА³¹ предполагает, что ВОА может индексировать исполнительное влияние на процедурный сенсомоторный контроль и обучение. Важно отметить, что эти исследования начали выявлять уникальные эффекты познания на конкретные сенсомоторные цепи путем оценки ВОА с использованием различных направлений тока ТМС. В исследованиях ВОА обычно используется задне-передний (ПА) индуцированный ток, в то время как только в нескольких исследованиях ВОА использовался передне-задний (АП) индуцированный ток⁵⁵. Однако использование ТМС для индуцирования АП по сравнению с током ПА во время оценки ВОА задействует различные сенсомоторные цепи^16,56. Например, AP-чувствительные, но не PA-чувствительные сенсомоторные цепи изменяются мозжечковой модуляцией^37,56. Кроме того, AP-чувствительные, но не PA-чувствительные сенсомоторные цепи модулируются нагрузкой^{внимания 36}. Наконец, внимание и мозжечковые влияния могут сходиться в одних и тех же AP-чувствительных сенсомоторных цепях, что приводит к дезадаптивным изменениям в этих цепях³⁷.

Достижения в технологии ТМС обеспечивают дополнительную гибкость для манипулирования конфигурацией стимула ТМС, используемого во время одноимпульсных, парных импульсных и повторяющихся применений^57,58. Стимуляторы ТМС (цТМС) с контролируемыми параметрами импульса в настоящее время коммерчески доступны для исследовательского использования во всем мире, и они обеспечивают гибкий контроль над шириной и формой^{импульса 57}. Повышенная гибкость возникает за счет управления длительностью разряда двух независимых конденсаторов, каждый из которых отвечает за отдельную фазу стимула TMS. Двухфазная или монофазная природа стимула определяется относительной амплитудой разряда от каждого конденсатора, параметром, называемым М-соотношением. В исследованиях cTMS сочетались манипуляции с шириной импульса с различными направлениями тока, чтобы продемонстрировать, что фиксированная длительность импульса, используемая обычными стимуляторами ТМС (70-82 мкс)^59,60, вероятно, привлекает сочетание функционально различных сенсомоторных цепей во время SAI ⁵⁶. Таким образом, cTMS является захватывающим инструментом для дальнейшего распутывания функционального значения различных конвергентных сенсомоторных петель в сенсомоторных характеристиках и обучении.

В этой рукописи подробно описывается уникальный подход SAI к изучению сенсомоторной интеграции, который интегрирует периферическую электрическую стимуляцию с cTMS во время сенсомоторного поведения. Этот подход улучшает типичный подход ВОА, оценивая влияние афферентных проекций на отдельные популяции интернейронов в моторной коре, которые регулируют кортикоспинальный выход во время продолжающегося сенсомоторного поведения. Несмотря на то, что cTMS является относительно новым, она дает явное преимущество в изучении сенсомоторной интеграции в типичных и клинических популяциях. Кроме того, современный подход может быть легко адаптирован для использования с традиционными стимуляторами ТМС и для количественной оценки других форм афферентного торможения и фасилитации, таких как афферентное ингибирование с длительной латентностью (LAI)¹³ или афферентное облегчение с короткой латентностью (SAF)¹⁵.