Name: measuring and manipulating functionally specific neural pathways in the human motor system with transcranial magnetic stimulation
Uploaded: 2020-02-23T15:00:00
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这项工作得到了密歇根大学：MCubed学者项目和运动学学院的支持。

下面介绍了以下三种 TMS 方法。首先，描述了两种方法，使用双位点颅磁刺激（dsTMS）测量皮质皮质-皮质连接，而参与者为1）处于静止状态（静止状态）或2）执行物体定向的到达抓合运动（与任务相关）。其次，描述皮质成对关联刺激 （cPAS） 方法，通过配对皮质刺激（例如，后皮和原运动皮质），以受控方式调节两个大脑区域之间的相互作用，以增强功能与TMS的特定神经通路，并诱导皮质兴奋...

此处描述的双站点 TMS 方法可用于研究参与者处于静止或计划目标导向操作时与主运动皮层连接的不同皮质区域之间的功能交互。虽然大脑成像是相关的，但双位点TMS方法的基本知识可以揭示与皮质-皮质回路变化相关的因果脑行为关系。此外，在与 M1 相连的区域应用的两个 TMS 线圈的皮质成对关联刺激可用于增强运动控制的功能特定连接，并提高诱导可塑性的效率。总之，这些方法表明，这些TMS?...

非侵入性脑刺激是一种有前途的评估工具和治疗许多神经系统疾病，如帕金森病，阿尔茨海默氏病，中风1，2，3，4。有越来越多的证据表明，神经系统疾病的行为表现与皮质兴奋性异常、神经可塑性、皮质皮质和皮质-皮下连通性5、6之间的关系。因此，关于大脑网络动力学和神经病中可塑性的基本知识可以为疾病诊断、进展和治疗反应提供宝贵的见解。功能磁共振成像（fMRI）是一个有用的工具，了解大脑和行为之间的复杂关系，在健康和患病的大脑网络，并有可能改善治疗基于网络视角7，8，9。然而，fMRI在本质上是相互关联的，不能提供大脑功能和行为之间的因果联系，也不能操纵功能连接来恢复与患者行为障碍相关的异常神经回路10，11，12。颅内磁刺激（TMS）可以因果地测量和调节人脑功能和行为在健康和疾病3，13，14，15。
TMS是一种安全、非侵入性的刺激人脑的方法16,17可用于诱导和测量可塑性18.这种方法可以促进我们对个体大脑区域和行为之间因果关系的理解10,11,12,19以及他们与大脑网络其他节点的特定功能交互20,21,22,23.迄今为止，大多数研究都集中在人体运动系统上，因为TMS到运动皮层（M1）的手部区域可以产生运动唤起电位（MEP），作为与运动行为相关的变化的生理读出24，允许在人脑系统水平上检查不同的抑制和兴奋回路25.使用两个线圈的调理测试TMS方法的最新进展表明，可以测量不同皮质区域之间的功能相互作用。在电机系统中，双位点 TMS 实验表明，与 M1 相连的皮质区域的输入会随任务需求、年龄或疾病而变化14,26.Ferbert 及其同事的开创性工作发现，在其他 M1 测试刺激之前对 M1 应用调理刺激可以抑制 MEP 振幅，这种现象称为短间隔半球间抑制 （SIHI）28.使用这种方法的一些TMS研究还表明，M1与反向M1、腹腔前运动皮层（PMv）、背前运动前皮层（PMd）、辅助运动区（SMA）、SMA前、初级感觉皮层（S1）密切相关，休息时背侧前额皮质 （DLPFC） 和后额皮质皮质 （PPC）27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42.有趣的是，这些皮质区域的刺激对运动皮质兴奋性的影响在解剖学、时间上和功能上都特定于运动准备过程中正在进行的大脑活动（状态和上下文相关）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).然而，使用双位点TMS的研究很少有特征模式的功能皮质-皮质连接与运动和认知障碍在脑疾患者70,71,72.这提供了开发评估和治疗运动和认知障碍的新方法的机会。
利用这种技术，还发现，与M1相连的皮质TMS的重复对，如逆向M1 68、69、70、PMv76、77、78、SMA71和PPC 80、81、82，可以诱导基于关联可塑性83的赫比安原理，在特定神经通路的突触效率发生变化。，84，85，86和增强行为表现72，73，74。然而，很少有研究用这种方法来研究神经系统疾病2，75，76，77，78，79，80，81，82，83，84，90，91，92，92， 93，94，95，96.使用TMS加强功能特定的神经通路能否恢复功能特定的神经通路，或者未来加强完整电路是否能增强大脑网络中支持整个寿命和疾病中的运动和认知功能的复原力97，仍有待证明。缺乏对神经紊乱背后的神经机制和刺激对相互连接的功能失调的大脑网络的影响的基本理解限制了目前的治疗。
尽管TMS具有这种能力，但它尚未成为神经科学和临床工具的标准部分，用于理解大脑行为关系、脑疾患的病理生理学和治疗的有效性。因此，要发挥其潜力并支持其大规模应用，标准化 TMS 方法非常重要，因为它更有可能提高未来 TMS 实验的严格性，并增强独立实验室的可重复性。本文概述了如何使用 TMS 测量和操作功能交互。在这里，我们通过测量基于 TMS 的输出度量（例如 MEP）来描述电机系统中的此技术（例如，prieto-电机通路44），其中最了解该方法。然而，重要的是要注意到，该协议也可以适应其他皮下85，小脑86，87和皮质区域的目标功能耦合。73、74、88 此外，神经成像技术，如脑电图89、90、91和fMRI92、93可用于评估TMS引起的活动和连接性变化26、94。最后，我们提出，研究电路级皮质连接与这些TMS方法在健康和疾病中的功能参与，使得基于更复杂的大脑行为关系网络模型开发有针对性的诊断和创新疗法成为可能。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Alpha B.I. D50 coil (coated)</td>
			<td>Magstim</td>
			<td></td>
			<td>50mm coil</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BrainSight 2.0 Software</td>
			<td>Rogue Research</td>
			<td></td>
			<td>Neuronavigation software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BrainSight frameless Stereotactic System</td>
			<td>Rogue Research</td>
			<td></td>
			<td>Neuronavigation equiptment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D702 Coil</td>
			<td>Magstim</td>
			<td></td>
			<td>70mm coil</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Discovery MR750</td>
			<td>General Electric</td>
			<td></td>
			<td>3.0T MRI machine</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Disposable Earplugs</td>
			<td>3M</td>
			<td></td>
			<td>Foam earplugs</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ECG Electrodes 30mm x 24mm</td>
			<td>Coviden-Kendall</td>
			<td>H124SG</td>
			<td>Disposable electrodes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Four Channel Isolated Amplifier</td>
			<td>Intronix Technologies Corporation</td>
			<td>2024F</td>
			<td>EMG amplifier</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>gGAMMAcap</td>
			<td>g.tec Medical Engineering</td>
			<td></td>
			<td>EEG head cap</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro1401-3</td>
			<td>Cambridge Electronic Design</td>
			<td></td>
			<td>Scientific data recorder and processing machine</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nuprep Skin Prep Gel</td>
			<td>Weaver and Company</td>
			<td></td>
			<td>Skin prep abrasive gel</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Signal v.7</td>
			<td>Cambridge Electronic Design</td>
			<td></td>
			<td>Data acquisition and analysis software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>The Magstim BiStim2</td>
			<td>Magstim</td>
			<td></td>
			<td>Transcranial magnetic stimulator (two 2002 units)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measuring and manipulating functionally specific neural pathways in the human motor system with transcranial magnetic stimulation

了解大脑区域之间的相互作用对于研究目标导向行为非常重要。大脑连通性功能神经成像为大脑的基本过程（如认知、学习和运动控制）提供了重要的见解。然而，这种方法不能为大脑感兴趣的区域的参与提供因果证据。颅内磁刺激（TMS）是一种强大的非侵入性工具，用于研究人脑，通过瞬时改变大脑活动来克服这种限制。在这里，我们重点介绍使用配对脉冲双位点 TMS 方法的最新进展，该方法具有两个线圈，它们在不同的任务上下文中对人体运动系统中的皮质-皮质相互作用进行因果探测。此外，我们描述了一种基于皮质成对关联刺激（cPAS）的双位点TMS协议，通过用两个线圈重复对皮质刺激，暂时地提高两个相互关联的大脑区域的突触效率。这些方法可以更好地了解认知运动功能背后的机制，以及以有针对性的方式操纵特定神经通路以调节大脑回路和改善行为的新视角。这种方法可能被证明是一个有效的工具，以开发更复杂的模型的大脑行为关系，并改善诊断和治疗许多神经和精神疾病。

图 5显示了在参与者处于静止（顶部面板）或计划对对象（底部面板）进行目标导向的抓握操作时，TMS 在 FDI 肌肉中针对非空调测试刺激（仅 TS 到 M1，蓝色轨迹）或来自 PPC（CS-TS，红色轨迹）的有条件刺激而引出的 EP 响应的大小。在静止时，PPC 对 ipsi侧 M1 施加抑制性影响，如在超阈值 TS 超过 M1（顶部面板）之前通过 PPC 5 ms 交付的子阈值 CS 的 MEP 振幅减小就可以看出。在准...

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Measuring and Manipulating Functionally Specific Neural Pathways in the Human Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation

本文介绍了利用颅内磁刺激测量和加强功能特定的神经通路的新方法。这些先进的非侵入性脑刺激方法可以为理解大脑行为关系和开发治疗大脑疾病的新疗法提供新的机会。

利用颅内磁刺激测量和操纵人体运动系统中功能特定的神经通路

Understanding interactions between brain areas is important for the study of goal-directed behavior. Functional neuroimaging of brain connectivity has ...

这项技术提供了对大脑回路如何出错的洞察，在精神病和神经系统疾病。以及我们如何操纵大脑活动来修复这些功能失调的电路来增强行为。通过直接激活和抑制大脑的兴奋性和电路，该技术使神经科学焦点从观察转移到因果关系，并提供对大脑和行为的更深入的理解。非侵入性大脑刺激可用于评估和治疗许多神经系统疾病，并可以帮助改善诊断和治疗，基于更复杂的大脑行为连接模型。这种方法不仅可以抵消运动系统中改变的连接模式，而且可以抵消与生理老化、精神病和神经系统疾病相关的认知网络。在对参与者进行右手检查以及 TMS 和 MRI 的任何禁忌症后，告知每个参与者当地机构审查委员会批准的研究目标、程序和风险，并取得书面同意。对于 EMG 电极的放置，让参与者舒适地坐在实验椅上，双臂支撑在放松的位置，并提供下巴休息，在刺激期间将头部运动降至最低。使用温和的磨料清洁皮肤在感兴趣的肌肉。使用腹部肌腱电极布置，将一个一次性氯化银电极放在腹部肌肉上，将另一个放在附近的骨质地标上，作为参与者双手的参考点。然后将接地电极连接到所有者的胶质工艺，然后检查皮肤中每个电极以确认完全接触。将胶带放在电极表面，以改进皮肤表面接触。在 TMS 会话之前，将参与者的结构 MRI 扫描上传到神经导航系统。在扫描中，在手旋钮处放置一个轨迹标记，该旋钮与 M-one 相对应。在左前中枢陀螺45度从中萨吉特线，并大致垂直于中央硫磺。使用神经导航系统记录和命名解剖地标，并在感兴趣的非运动区域上放置第二个轨迹标记。然后使用神经导航系统记录并命名第二个位置。首先，使用校准块校准每个 TMS 线圈，并安全地将头部跟踪器放在参与者的头部，以便在整个实验过程中查看跟踪器。将参与者头部的解剖地标共同注册到神经导航系统。要用线圈二定位和阈值，首先将线圈的中心定位在目标M-One位置，以诱导大脑中的后前电流方向。要找到激活目标肌肉的最佳位置，以机器最大刺激器输出的 30% 将脉冲传递到 M-one，并观察传递的刺激是否产生肌肉抽搐。根据数据采集系统显示的肌肉活动，确定使用 EMG 电极记录的电机激发电位的振幅。如果未观察到运动激发电位或可见肌肉抽搐，则继续将刺激器输出增加 5% 的增量。当观察到响应时，以逐步方式将强度降低至最低强度，从而产生至少 10 个电机激发电位响应中的 5 个，振幅至少为 50 微伏，同时参与者将及时确定静止电机阈值。要使用线圈 M-One 定位和阈值，请使用 M-One 线圈确定最佳刺激位置。确定在目标手部肌肉的 10 次试验中，当肌肉完全放松时，在 10 次试验中，产生至少 1 毫伏的电机激发电位所需的最低刺激强度。然后在神经导航系统中标记并记录M-One线圈的位置。对于双站点 TMS，当参与者处于静止状态时，将图八形线圈连接到两个单独的 TMS 刺激器。使用 M-One 线圈在 M-One 上提供测试刺激，然后使用线圈二将调节刺激传递到感兴趣的其他区域。确定线圈二调节刺激的最大刺激器输出强度的百分比，如所证明的。对于测试刺激，使用先前确定的强度，在目标静止手部肌肉中引起电机激发的大约 1 毫伏的潜在振幅，并在调节和测试刺激之间设置精确的刺激间隔。将 M-1 线圈位于左侧 M-1 上，将线圈两个位于其他感兴趣区域上。使用 M-one 线圈单独提供测试刺激试验。对于配对脉冲试验，在预定的刺激间隔内，使用线圈二的调节刺激，然后将测试刺激送到 M-One 线圈，每次试验使用四秒数据采集扫描，然后是一秒试间间隔。要将程序传递到 TMS 脉冲，请使用 TMS 计算机上提供的控制软件的触发器按钮，或使用外部控制器的自定义编码脚本。使用前面描述的方法，检查连接到 M-One 的不同皮质区域之间的功能交互，但在参与网络的任务的准备阶段。要使用定制的编码脚本在短时间内将重复的单相脉冲对传递到两个不同的皮质区域，请以 0.2 赫兹的速度生成 100 对刺激，每个刺激时间为 8.3 分钟。对于实验 cPAS 到 M-One 条件，在带线圈 2 的非电机区域上传递每个刺激对的第一个脉冲，然后使用 M-One 线圈将第二个脉冲通过 M-One 传递，刺激间隔为 5 毫秒。两个线圈的脉冲强度，应在阈值和定位期间确定。使用M-One线圈获得基线皮质线测量后，在cPAS后的不同时间使用M-one线圈获得皮质线测量，检查TMS诱导对大脑兴奋性的影响的时间过程。在这里，在 TMS 进行无条件测试的第一个背质间质肌肉中产生具有代表性的运动唤起潜在反应的大小，或在参与者处于休息时从后侧皮层进行调节刺激，或计划目标定向抓举动作，如图所示。休息时，后侧皮层对单体M-1产生抑制性影响，如 MEP 振幅的降低所示，在 PPC 上传递的子阈值调节刺激，比 M-One 的超级阈值测试刺激提前五毫秒。在准备抓握动作时，这种净抑制驱动从后皮层休息，切换到促进。将电机激发电位振幅的规范化，以测试每个条件的单独刺激试验，并绘制为电机激发电位振幅的比例，显示在规划对象定向抓握时，从休息中促进后侧皮层M-1相互作用。在这些分析中，可以观察到在cPAS协议管理过程中电机电能振幅的变化。在刺激方案期间，由后侧皮层和M-1配对刺激引起的运动诱发的电位振幅，随着时间的推移逐渐增加，表明在单反运动连接、M-one皮质神经元或两者两级的塑料效应。在cPAS协议后10分钟，运动诱发电位振幅的大小增加了，这表明，在后皮和M-1的重复皮质刺激作用下，运动兴奋性在作用后被诱导。该协议可以应用于其他大脑区域，或与大脑成像结合使用，以研究皮质连接及其对认知、感官感知和情绪的影响。标准化这些双目视方案，将改善实验设计和优化靶向疗法。减少神经和精神疾病的发病率和损伤。

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Transcranial Direct Current Stimulation tDCS for Memory Enhancement

用于增强内存的颅外直接电流刺激 （tDCS）

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