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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この研究は、ミシガン大学:MCubed Scholarsプログラムとキネシオロジーの学校によってサポートされました。

以下の3つのTMSメソッドについて説明します。まず、二重部位経頭蓋磁気刺激(dsTMS)を用いてコルチコ・コルチコ接続性を測定する方法について説明し、参加者は1)安静時(休息状態)または2)物体指向の把握運動を行う(タスク依存)。第二に、皮質対連化刺激(cPAS)法は、機能を強化するために皮質刺激(例えば、後頭頂部および一次運動皮質)を組み合わせることで、制御された方法で2つの脳領域間...

ここで説明する二重部位TMS法は、参加者が安静時または目標指向の行動を計画している間、一次運動皮質と相互接続された異なる皮質領域間の機能的相互作用を調査するために使用することができる。脳イメージングは相関的であるが、二重部位TMS法からの基本的な知識は、コルチコ・コルチコ回路の変化に関連する因果的な脳行動関係を明らかにすることができる。さらに、M1と相互接続?...

非侵襲的脳刺激は、パーキンソン病、アルツハイマー病、脳卒中1、2、3、4などの多くの神経疾患に対する有望な評価ツールおよび治療法です。神経疾患の行動症状と皮質興奮性、神経可塑性、皮質皮質および皮質皮質皮質下接続性5,6の異常との関係を確立する証拠が蓄積されている。したがって、神経学的状態における脳ネットワークダイナミクスと可塑性に関する基本的な知識は、疾患診断、進行、および治療への応答に関する貴重な洞察を提供することができる。機能的磁気共鳴画像(fMRI)は、健康な脳ネットワークと病気の脳ネットワークの両方における脳と行動の複雑な関係を理解するのに有用なツールであり、ネットワーク視点7、8、9に基づいて治療を改善する可能性を有する。しかし、fMRIは本質的に相関性があり、脳機能と行動との因果関係を提供できず、また、患者10、11、12の行動障害に関連する異常な神経回路を回復させる機能接続性を操作することもできない。経頭蓋磁気刺激(TMS)は、健康および疾患におけるヒト脳の機能および行動を因果的に測定し、調節することができる3、13、14、15。
TMSは、人間の脳を刺激する安全で非侵襲的な方法です16,17そして、可塑性を誘導し、測定するために使用することができる18.この方法は、個々の脳領域と行動との因果関係の理解を進めることができる10,11,12,19脳ネットワークの他のノードとの特定の機能的相互作用20,21,22,23.これまでの研究では、運動皮質(M1)の手領域へのTMSが、運動行動に関連する変化の生理学的読み出しとして運動誘発電位(MEP)を生み出すことができることを考えると、ほとんどの研究はヒト運動システムに焦点を当ててきた24、人間の脳のシステムレベルで異なる阻害回路と興奮性回路の検査を可能にする25.2つのコイルを用いたコンディショニングテストTMSアプローチを用いた最近の進歩は、異なる皮質領域間の機能的相互作用を測定することが可能であることを示している。モーターシステムでは、デュアルサイトTMS実験は、M1と相互接続された皮質領域からの入力がタスクの要求、年齢、または病気によって変化できることを示しています14,26.Ferbertたちの研究グループは、他のM1の試験刺激の前にM1にコンディショニング刺激を加えることで、短い間隔間突起抑制(SIHI)として知られる現象であるMEP振幅の阻害をもたらすことを発見した。28.このアプローチを用いた多くのTMS研究は、M1が対側M1、腹側前運動前皮質(PMv)、後部運動前皮質(PMd)、補助運動領域(SMA)、プレSMA、一次感覚皮質(S1)と強く相互接続されていることも示している。後側前頭前野(DLPFC)、および後頭頂皮質(PPC)安静時27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42.興味深いことに、これらの皮質領域からの刺激が運動皮質興奮性に及ぼす影響は、運動の準備中に進行中の脳活動に対して解剖学的、時間的、機能的に特異的である(状態および文脈依存性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).しかし、二重部位TMSを用いた研究は、脳障害患者における運動および認知障害を伴う機能的なコルチコ・コルチコ接続性のパターンを特徴付けている。70,71,72.これは、運動障害および認知障害を評価および治療するための新しい方法を開発する機会を与える。
この技術を用いて、M1と相互接続された皮質領域(M1 68、69、70、PMv76、77、78、SMA71、PPC80、81、82)などのM1と相互接続された皮質TMSの繰り返しペアが、ヘビアン原理に基づく特定の神経経路におけるシナプス効率の変化を誘発することも発見された。、84、85、86と行動性能を向上させる72、73、74 。それでも、神経疾患2、75、76、77、78、78、80、81、82、83、84、90、92、神経障害の回路および可塑性機能不全を研究するために、このアプローチを使用している研究はほとんどありません93、94、95、96.TMSを用いて機能的に特異的な神経経路を強化することが機能不全回路の活性を回復させるのか、あるいは、無傷の回路の前向きの強化が、寿命を超えて病気の運動機能と認知機能を支える脳ネットワークの回復力97を増強できるかどうかはまだ示されている。神経疾患の根底にある神経メカニズムの基本的な理解の欠如と、相互接続された機能不全脳ネットワークに対する刺激の影響は、現在の治療を制限する。
その能力にもかかわらず、TMSは脳と行動の関係、脳障害の病態生理学、および治療の有効性を理解するための神経科学と臨床ツールの軍備の標準的な部分にはまだなっていません。そのため、そのポテンシャルを実現し、大規模なアプリケーションをサポートするためには、TMSの将来の実験の厳しさを増し、独立した研究室で再現性を高める可能性が高いため、TMS法の標準化が重要です。この記事では、TMS を使用して機能相互作用を測定し、操作する方法について説明します。ここでは、この手法を、TMSベースの出力測定(例えばMEP)を測定することによってモータシステム(例えば、パリエートモータ経路44)で説明する。しかし、このプロトコルは、他の皮質下85、小脳86、87、および皮質領域の標的官能結合にも適合できることに注意することが重要である。73,74,88加えて、脳光腺89、90、91およびfMRI92などの神経イメージング技術は、TMSによる活性および接続性の変化を評価するために使用することができる26、94。我々は、これらのTMS方法を用いた回路レベルの皮質接続性の機能関与の研究は、脳行動関係のより高度なネットワークモデルに基づいて標的型診断および革新的な治療法を開発することを可能にすることを提案することによって締めくくる。

<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

脳領域間の相互作用を理解することは、目標指向行動の研究にとって重要である。脳の結合性の機能的神経イメージングは、認知、学習、運動制御などの脳の基本的なプロセスに関する重要な洞察を提供してきました。しかし、このアプローチは、関心のある脳領域の関与に関する因果関係の証拠を提供することはできません。経頭蓋磁気刺激(TMS)は、一過性の脳活動を変更することによってこの限界を克服することができる人間の脳を研究するための強力な、非侵襲的なツールです。ここでは、異なるタスクコンテキストの間に人間の運動システムにおけるコルチコと皮質の相互作用を因果的に調査する2つのコイルを備えたペアパルス、デュアルサイトTMS法を使用して、最近の進歩を強調する。さらに、2つのコイルを持つ皮質刺激の繰り返し対を適用することにより、2つの相互接続された脳領域におけるシナプス効率を一時的に高める皮質対連想刺激(cPAS)に基づく二重部位TMSプロトコルを記述する。これらの方法は、認知運動機能の基礎となるメカニズムのより良い理解を提供するだけでなく、脳回路を調節し、行動を改善するためにターゲットを絞った方法で特定の神経経路を操作するための新しい視点を提供することができます。このアプローチは、脳行動関係のより洗練されたモデルを開発し、多くの神経学的および精神疾患の診断と治療を改善するための効果的なツールであることが証明される可能性があります。

図 5は、TMS が FDI 筋肉に引き出した、非条件テスト刺激 (TS 単独から M1、青い痕跡) または PPC (CS-TS、赤いトレース) の調整された刺激のサイズを示しています。安静時、PPCは、PPCの5ミリ秒前にPPC上に送達されるサブスレッショルドCSによって増強されたMEP振幅の減少によって示されるように、ipsilateral M1に対して阻害的影響を及ぼす(トップパネル)。把握作用の調製中に?...

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

この記事では、経頭蓋磁気刺激を用いて機能的に特異的な神経経路を測定し、強化するための新しいアプローチについて説明します。これらの高度な非侵襲的な脳刺激方法論は、脳と行動の関係を理解し、脳障害を治療するための新しい治療法の開発のための新しい機会を提供することができます。

経頭蓋磁気刺激によるヒト運動系における機能的特異的神経経路の測定と操作

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

この技術は、脳回路が精神および神経疾患においてどのように苦しむかについての洞察を提供する。そして、脳活動を操作してこれらの機能不全回路を修復して行動を強化する方法。脳の興奮性と回路を直接活性化し、阻害することにより、この技術は、神経科学的焦点の観察から因果関係へのシフトを可能にし、脳と行動のより深い理解を提供する。非侵襲的な脳刺激は、多くの神経疾患を評価および治療するために使用することができ、脳行動接続のより洗練されたモデルに基づいて、診断と治療を改善するのに役立ちます。この方法は、運動システムにおける変化した接続パターンを打ち消すだけでなく、生理学的老化、精神および神経学的障害に関連する認知ネットワークにおいても打ち消すことができる。参加者に右利きの審査を行い、TMSおよびMRIに対する禁忌を行った後、各参加者に現地の機関審査委員会によって承認された研究目的、手順、およびリスクについて知らせ、書面による同意を得る。EMG電極の配置については、参加者を実験椅子に快適に座させ、両腕をリラックスした位置に支持し、刺激中に頭の動きを最小限に抑えるために顎残りを提供する。興味のある筋肉の上に皮膚をきれいにするために軽度の研磨剤を使用してください。腹腱電極配置を使用して、お腹の筋肉に使い捨て銀銀電極を1つ、近くの骨のランドマークに参加者の両手の参照部位として別の銀銀電極を置きます。次に、グランド電極を所有者のスタイロイドプロセスに接続し、皮膚の各電極間をチェックして完全な接触を確認します。必要に応じて電極の表面にテープを貼り、皮膚表面接触を改善する。TMS セッションの前に、参加者の構造 MRI スキャンをニューロ ナビゲーション システムにアップロードします。スキャン内で、M-oneに対応する解剖学的ランドマークを手でつまむ軌道マーカーを配置します。左心前回では、中間の矢状線から45度、中央のスルカスに対してほぼ垂直である。神経ナビゲーションシステムで解剖学的ランドマークを記録し、名前を付け、対象の非運動領域の上に第2の軌道マーカーを配置します。次に、ニューロナビゲーションシステムで2番目の場所を記録し、名前を付けます。まず、各TMSコイルをキャリブレーションブロックでキャリブレーションし、実験の間、トラッカーが視界に入るように、参加者の頭の上にヘッドトラッカーをしっかりと配置します。参加者の頭の解剖学的ランドマークを神経ナビゲーションシステムに共同登録します。コイル2で局部化及び閾値を設定するには、まずコイルの中心をターゲットM-1位置に配置し、脳内の後前電流方向を誘導する。標的筋の活性化に最適な位置を見つけるには、機械最大刺激器出力の30%でM-oneにパルスを送り、送達された刺激が筋肉のけいれんを生じるかどうかを観察する。データ取得システムによって表示される筋肉活動からEMG電極で記録されたモータ誘発電位の振幅を決定する。運動誘発電位または可視筋のけいれんが見られない場合は、刺激器出力を5%増分増加させ続ける。応答が観察されると、最低強度に段階的に強度を下げ、少なくとも50マイクロボルトの振幅を有する10のモータ誘発電位応答のうち少なくとも5つを生成し、参加者は休息運動閾値を決定する。コイル M-1 でローカリゼートとしきい値を設定するには、M-one コイルを使用して最適な刺激位置を決定します。筋肉が完全にリラックスしているときに、ターゲットハンドマッスルの10回の試験のうち5回で、少なくとも1ミリボルトの運動誘発電位を生成するために必要な最も低い刺激強度を決定する。次に、ニューロナビゲーションシステム内でM-oneコイルの位置を記録します。参加者が休止状態にある場合のデュアルサイト TMS の場合は、図 8 形のコイルを 2 つの個別の TMS 刺激装置に接続します。M-1コイルでM-one上にテスト刺激を提供し、コイル2で他の対象領域にコンディショニング刺激を提供します。実演したように、コイル2のコンディショニング刺激に対する最大刺激装置出力強度の割合を求めます。テスト刺激では、対象となる静止した手の筋肉に約1ミリボルトの運動誘発電位振幅を引き出す以前に決定された強度を使用し、コンディショニングとテスト刺激の間の正確な刺激間隔を設定します。M-1コイルを左M-1の上に置き、コイル2を他の対象領域の上に配置します。M-1コイルで試験のみの試験を提供します。ペアパルス試験では、所定の間刺激間隔でM-oneコイルに続いて、コイル2でコンディショニング刺激を提供し、各試験に対して4秒のデータ取得スイープを使用し、続いて1秒のインタートライアル間隔を行う。プログラムをTMSパルスに送るために、TMSマシンのトリガボタンを使用して、提供された制御ソフトウェアを使用するか、外部コントローラのカスタムメイドのコーディングスクリプトを使用します。前述の方法を使用して、M-1に相互接続された異なる皮質領域間の機能的相互作用を調べるが、ネットワークを係合するタスクの準備段階で。カスタムメイドのコーディングスクリプトを使用して、短い期間にわたって2つの異なる皮質領域に繰り返しモノハシパルスのペアを提供するには、刺激ごとに8.3分間0.2ヘルツで100組の刺激を生成します。実験cPASからM-1条件に対して、各刺激ペアの最初のパルスをコイル2で非運動領域上に送り出し、M-OneコイルでM-1上で2番目のパルスを送達し、5ミリ秒の間の刺激間隔を設定します。両方のコイルのパルス強度は、しきい値および局在の間にあらかじめ決定されるべきである。M-1コイルを用いて基線コルチコスピナル測定を得た後、cPAS後の異なる時間にM-Oneコイルを用いたコルチコ脊髄測定を得て、脳興奮性に対するTMS誘発作用の経時経過を調べた。ここでは、TMSによって未調整試験のために第1の背部内介在筋に引き起こされる代表的な運動誘発電位応答の大きさ、または後頭頂皮質からの刺激を調整し、参加者が休息中、または図示のように物体に対する目標指向把握作用を計画する。安静時には、後頭頂皮質は、M-1に対する超閾値試験刺激の5ミリ秒前に、PPC上で提供されるサブ閾値調節刺激によって増強されたMEP振幅の低下によって示されるように、イプシラショナルM-1に対して阻害的な影響を及ぼす。把握作用の調製中に、このネット阻害駆動は後頭頂皮質から安静に、円滑化に切り替える。各条件の刺激単独試験に対するモータ誘発電位振幅の正規化、およびモータ誘発電位振幅の比としてプロットすると、物体指向把握を計画する際に、後頭頂皮質M-1相互作用が休息から促進されたことを明らかにする。これらの分析では、cPASプロトコルの投与中にモータ誘発電位振幅の変化が、観察され得る。後頭頂皮質とM-oneの対刺激によって誘発される運動誘発電位振幅は、刺激プロトコル中に時間の経過とともに徐々に増加し、頭頂運動接続、M-oneコルチコ脊髄ニューロンまたはその両方のレベルでのプラスチック効果を示唆している。cPASプロトコルの10分後に運動誘発電位振幅の大きさが増加し、後頭頂皮質とM-oneに対する皮質刺激の反復対の投与後に効果が誘発された後の運動興奮性が示唆された。このプロトコルは、他の脳領域に適用したり、皮質の接続性と認知、感覚知覚および気分への影響を研究するために脳イメージングと組み合わせて使用することができます。これらの二重視力プロトコルを標準化することで、実験設計の改善と標的治療の最適化が可能になります。神経疾患および精神疾患の罹患率と障害を減らす。

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Combining Transcranial Magnetic Stimulation and fMRI to Examine the Default Mode Network

デフォルトモードのネットワークを検査する経頭蓋磁気刺激とfMRIを組み合わせ

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Electrode Positioning and Montage in Transcranial Direct Current Stimulation

経頭蓋直流電流刺激で電極の位置とモンタージュ

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a technique that has been intensively investigated in the past decade as this method offers a ...

The Use of Magnetic Resonance Spectroscopy as a Tool for the Measurement of Bi-hemispheric Transcranial Electric Stimulation Effects on Primary Motor Cortex Metabolism

一次運動野代謝に及ぼすバイ半球経頭蓋電気刺激効果の測定のためのツールと​​しての磁気共鳴分光法の利用

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a neuromodulation technique that has been increasingly used over the past decade in the treatment of ...

Effects of Transcranial Alternating Current Stimulation on the Primary Motor Cortex by Online Combined Approach with Transcranial Magnetic Stimulation

経頭蓋交流電流刺激オンライン結合による一次運動野の経頭蓋磁気刺激の効果

Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS) is a neuromodulatory technique able to act through sinusoidal electrical waveforms in a specific ...

Online Transcranial Magnetic Stimulation Protocol for Measuring Cortical Physiology Associated with Response Inhibition

反応抑制に関連する皮質の生理学を測定するためのオンラインの経頭蓋磁気刺激プロトコル

We describe the development of a reproducible, child-friendly motor response inhibition task suitable for online Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) ...

Combined Transcranial Magnetic Stimulation and Electroencephalography of the Dorsolateral Prefrontal Cortex

結合された経頭蓋磁気刺激と背外側前頭前野の脳波

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive method that produces neural excitation in the cortex by means of brief, time-varying magnetic ...

Bilateral Assessment of the Corticospinal Pathways of the Ankle Muscles Using Navigated Transcranial Magnetic Stimulation

経頭蓋磁気刺激の移動による足首の筋の皮質脊髄路の経路の二国間の評価

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3D Kinematic Analysis for the Functional Evaluation in the Rat Model of Sciatic Nerve Crush Injury

坐骨神経クラッシュ損傷のラットモデルにおける機能的評価のための3D運動学的解析

Compared to the Sciatic Functional Index (SFI), kinematic analysis is a more reliable and sensitive method for performing functional evaluations of ...

Simultaneous Application of Transcranial Direct Current Stimulation during Virtual Reality Exposure

バーチャルリアリティ暴露時の経頭蓋直流刺激の同時適用

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a form of non-invasive brain stimulation that changes the likelihood of neuronal firing through ...

Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) for Memory Enhancement

Transcranial Direct Current Stimulation tDCS for Memory Enhancement

メモリ強化のための経頭蓋直流刺激(tDCS)

Memory enhancement is one of the great challenges in cognitive neuroscience and neurorehabilitation. Among various techniques used for memory enhancement, ...