Kombine Periferik Sinir Stimülasyonu ve Kontrol Edilebilir Darbe Parametresi Transkraniyal Manyetik Stimülasyon Probu Sensorimotor Kontrol ve Öğrenme

Çoklu sensorimotor döngüler, spinal motor nöronlara ve internöronlara piramidal sistem projeksiyonlarını şekillendirmek için motor kortekste birleşir¹. Bununla birlikte, bu sensorimotor döngülerin kortikospinal projeksiyonları ve motor davranışı şekillendirmek için nasıl etkileşime girdiği açık bir soru olmaya devam etmektedir. Kısa gecikmeli afferent inhibisyon (SAI), motor korteks çıkışındaki yakınsak sensorimotor döngülerin fonksiyonel özelliklerini araştırmak için bir araç sağlar. SAI, motor kortikal transkraniyal manyetik stimülasyonu (TMS) karşılık gelen periferik afferent sinirin elektriksel stimülasyonu ile birleştirir.

TMS, insan beyninde piramidal motor nöronları trans-sinaptik olarak güvenli bir şekilde uyarmak için invaziv olmayan bir yöntemdir ^2,3. TMS, kafa derisine yerleştirilen sarmal bir telden büyük, geçici bir elektrik akımının geçirilmesini içerir. Elektrik akımının geçici doğası, beyinde bir elektrik akımını indükleyen hızla değişen bir manyetik alan yaratır⁴. Tek bir TMS uyaranı durumunda, indüklenen akım, piramidal motor nöronlar^5-7’ye bir dizi uyarıcı girdiyi aktive eder. Üretilen uyarıcı girdilerin gücü yeterliyse, azalan aktivite, motor uyarılmış potansiyel (MEP) olarak bilinen kontralateral bir kas tepkisi ortaya çıkarır. MEP’nin gecikmesi, kortikomotor iletim süresi^8’i yansıtır. MEP’in genliği, kortikospinal nöronların uyarılabilirliğini indeksler⁹. MEP’i ortaya çıkaran tek TMS uyarıcısından önce^10,11,12 koşullu uyaran da gelebilir. Bu çift nabız paradigmaları, çeşitli internöron havuzlarının kortikospinal çıktı üzerindeki etkilerini indekslemek için kullanılabilir. SAI durumunda, periferik elektriksel koşullandırma uyaranı, afferent voleybolun motor kortikal uyarılabilirlik^11,13,14,15 üzerindeki etkisini araştırmak için kullanılır. TMS uyaranının ve periferik elektriksel stimülasyonun göreceli zamanlaması, TMS uyaranının motor korteks üzerindeki etkisini, afferent projeksiyonların motor kortekse gelişiyle hizalar. Distal üst ekstremite kaslarındaki SAI için, medyan sinir uyaranı tipik olarak TMS uyaranından 18-24 ms^11,13,15,16 ile önce gelir. Aynı zamanda, periferik uyaranın neden olduğu afferent voleybolun gücü^13,17,18 arttıkça SAI artar.

Motor kortekse afferent projeksiyonun dışsal özellikleri ile güçlü ilişkisine rağmen, SAI birçok motor kontrol sürecinde yer alan şekillendirilebilir bir olgudur. Örneğin, SAI, yaklaşmakta olan bir hareket 19,20,21’den önce görevle ilgili kaslarda azalır, ancak bitişik görevle alakasız motor gösterimlerinde ^{19,20,22’de} tutulur. Görev alaka düzeyine duyarlılığın, istenmeyen efektör alımını azaltmayı amaçlayan bir surround inhibisyon mekanizması^23’ü yansıttığı varsayılmıştır. Daha yakın zamanlarda, görevle ilgili efektördeki SAI’deki azalmanın, beklenen duyusal afferans^21’i bastırmak ve sensorimotor planlama ve yürütme sırasında düzeltmeleri kolaylaştırmak için tasarlanmış hareketle ilgili bir geçit fenomenini yansıtabileceği öne sürülmüştür²⁴. Spesifik fonksiyonel rolden bağımsız olarak, SAI manuel el becerisi ve işleme verimliliğindeki azalmalarla ilişkilidir²⁵. Değişmiş SAI ayrıca yaşlı erişkinlerde düşme riskinin artması ile ilişkilidir 26 ve Parkinson hastalığı ^26,27,28 ve fokal el distonisi ²⁹ olan bireylerde sensörimotor fonksiyonun bozulması.

Klinik ve farmakolojik kanıtlar, SAI’ya aracılık eden inhibitör yolakların santral kolinerjik modülasyona duyarlı olduğunu göstermektedir³⁰. Örneğin, muskarinik asetilkolin reseptör antagonisti skopolaminin uygulanması SAI^31’i azaltır. Buna karşılık, asetilkolinesteraz inhibitörleri ile asetilkolinin yarı ömrünün arttırılması, SAI^32,33’ü arttırır. Farmakolojik kanıtlarla tutarlı olarak, SAI, uyarılma³⁴, ödül³⁵, dikkat tahsisi 21,36,37 ve hafıza^38,39,40 dahil olmak üzere merkezi kolinerjik tutuluma sahip çeşitli bilişsel süreçlere duyarlıdır. SAI ayrıca, Alzheimer hastalığı 41,42,43,44,45,46,47, Parkinson hastalığı (hafif bilişsel bozukluk ile)48,49,50 ve hafif bilişsel bozukluk ⁴⁷ gibi kolinerjik nöronların kaybıyla ilişkili bilişsel eksiklikleri olan klinik popülasyonlarda da değişir^.51,52. SAI’nın çeşitli γ-aminobütirik asit tip A (GABA_A) reseptör alt birim tipleri için diferansiyel afinitelere sahip çeşitli benzodiazepinler tarafından diferansiyel modülasyonu, SAI inhibitör yolaklarının, diğer çift darbe inhibisyonu³⁰ formlarına aracılık eden yollardan farklı olduğunu düşündürmektedir. Örneğin, lorazepam SAI’yi azaltır, ancak kısa aralıklı kortikal inhibisyonu (SICI) ^arttırır53. Zolpidem, SAI’yı azaltır, ancak SICI⁵³ üzerinde çok az etkisi vardır. Diazepam, SICI’yi artırır ancak SAI⁵³ üzerinde çok az etkisi vardır. GABA_A reseptör fonksiyonunun bu pozitif allosterik modülatörleri tarafından SAI’daki azalma, GABA’nın beyin sapında ve korteks^54’te asetilkolin salınımını kontrol ettiği gözlemiyle birleştiğinde, GABA’nın SAI^55’i etkilemek için sensorimotor kortekse yansıyan kolinerjik yolu modüle ettiği hipotezine yol açmıştır.

Son zamanlarda, SAI, prosedürel motor kontrol süreçlerini belirleyen sensorimotor döngüler ile prosedürel süreçleri açık yukarıdan aşağıya hedeflere ve bilişsel kontrol süreçlerine hizalayan 21,36,37,38 arasındaki etkileşimleri araştırmak için kullanılmıştır. SAI^31’deki merkezi kolinerjik tutulum, SAI’nın prosedürel sensorimotor kontrol ve öğrenme üzerinde yürütücü bir etkiyi endeksleyebileceğini düşündürmektedir. Önemli olarak, bu çalışmalar, farklı TMS akım yönlerini kullanarak SAI’yı değerlendirerek bilişin belirli sensorimotor devreler üzerindeki benzersiz etkilerini tanımlamaya başlamıştır. SAI çalışmaları tipik olarak posterior-anterior (PA) kaynaklı akım kullanırken, sadece bir avuç SAI çalışması anterior-posterior (AP) kaynaklı akım⁵⁵ kullanmıştır. Bununla birlikte, SAI değerlendirmesi sırasında PA akımı ile karşılaştırıldığında AP’yi indüklemek için TMS’nin kullanılması, farklı sensorimotor devreleri^16,56’yı işe alır. Örneğin, AP’ye duyarlı, ancak PA’ya duyarlı olmayan, sensorimotor devreler serebellar modülasyon^37,56 ile değiştirilir. Ayrıca, AP’ye duyarlı, ancak PA’ya duyarlı olmayan sensörimotor devreleri, dikkat yükü³⁶ ile modüle edilir. Son olarak, dikkat ve serebellar etkiler aynı AP’ye duyarlı sensorimotor devrelerde birleşebilir ve bu devrelerde uyumsuz değişikliklere yol açabilir³⁷.

TMS teknolojisindeki ilerlemeler, tek darbeli, çift darbeli ve tekrarlayan uygulamalar sırasında kullanılan TMS uyaranının yapılandırmasını manipüle etmek için ek esneklik sağlar^57,58. Kontrol edilebilir darbe parametreli TMS (cTMS) uyarıcıları artık dünya çapında araştırma kullanımı için ticari olarak temin edilebilir ve bunlar darbe genişliği ve şekli⁵⁷ üzerinde esnek kontrol sağlar. Artan esneklik, her biri TMS uyaranının ayrı bir aşamasından sorumlu olan iki bağımsız kapasitörün deşarj süresinin kontrol edilmesinden kaynaklanmaktadır. Uyaranın bifazik veya monofazik doğası, her bir kapasitörden gelen nispi deşarj genliği, M-oranı adı verilen bir parametre tarafından yönetilir. cTMS çalışmaları, geleneksel TMS uyarıcıları (70-82 μs)^59,60 tarafından kullanılan sabit darbe genişliklerinin muhtemelen SAI⁵⁶ sırasında işlevsel olarak farklı sensörimotor devrelerin bir karışımını işe aldığını göstermek için darbe genişliği manipülasyonunu farklı akım yönleriyle birleştirmiştir. Bu nedenle, cTMS, sensorimotor performans ve öğrenmede çeşitli yakınsak sensorimotor döngülerin işlevsel önemini daha da çözmek için heyecan verici bir araçtır.

Bu makale, sensorimotor davranışlar sırasında periferik elektriksel stimülasyonu cTMS ile bütünleştiren sensorimotor entegrasyonu incelemek için benzersiz bir SAI yaklaşımını detaylandırmaktadır. Bu yaklaşım, afferent projeksiyonların, devam eden sensorimotor davranış sırasında kortikospinal çıktıyı yöneten motor korteksteki seçilmiş internöron popülasyonları üzerindeki etkisini değerlendirerek tipik SAI yaklaşımını geliştirir. Nispeten yeni olmasına rağmen, cTMS tipik ve klinik popülasyonlarda sensorimotor entegrasyonun incelenmesinde belirgin bir avantaj sağlar. Ayrıca, mevcut yaklaşım, geleneksel TMS stimülatörleri ile kullanım için ve uzun gecikmeli afferent inhibisyon (LAI)¹³ veya kısa gecikmeli afferent kolaylaştırma (SAF)¹⁵ gibi diğer afferent inhibisyon ve kolaylaştırma biçimlerini ölçmek için kolayca uyarlanabilir.