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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Este trabalho foi apoiado pela Universidade de Michigan: MCubed Scholars Program e School of Kinesiology.

Os três métodos TMS a seguir são descritos abaixo. Em primeiro lugar, dois métodos são descritos para medir a conectividade cortico-cortical usando estimulação magnética transcraniana de dois locais (dsTMS) enquanto os participantes estão 1) em repouso (estado de descanso) ou 2) realizando um movimento de alcance-a-compreensão dirigido por objetos ( dependente da tarefa). Em segundo lugar, um método de estimulação associativa emparelhada cortical (cPAS) é descrito para modular a interação entre duas área...

O método TMS de dois locais descrito aqui pode ser usado para investigar interações funcionais entre diferentes áreas corticais interconectadas com o córtex motor primário enquanto um participante está em repouso ou planejando uma ação direcionada ao objetivo. Embora a imagem cerebral seja correlativa, o conhecimento básico dos métodos TMS de dois sites pode revelar relações causais de comportamento cerebral associadas a alterações nos circuitos cortico-cortical. Além disso, a estimulação associativa em...

A estimulação cerebral não invasiva é uma ferramenta de avaliação promissora e tratamento para muitos distúrbios neurológicos, como doença de Parkinson, doença de Alzheimer e derrame1,2,3,4. Há evidências acumuladas estabelecendo a relação entre as manifestações comportamentais de doenças neurológicas e anormalidades da excitabilidade cortical, neuroplasticidade, conectividade cortico-cortical e cortico-subcortical5,6. Portanto, o conhecimento básico sobre dinâmica da rede cerebral e plasticidade em condições neurológicas pode fornecer uma visão inestimável sobre o diagnóstico, a progressão e a resposta à terapia. A ressonância magnética funcional(fRessonância Magnética) é uma ferramenta útil para entender as complexas relações entre cérebro e comportamento em redes cerebrais saudáveis e doentes e tem o potencial de melhorar o tratamento com base em uma perspectiva de rede7,8,9. No entanto, a ressonância magnética fé correlação na natureza e não pode fornecer uma ligação causal entre a função e o comportamento do cérebro, nem manipular a conectividade funcional para restaurar circuitos neurais anormais associados a deficiências comportamentais em pacientes10,11,12. A estimulação magnética transcraniana (TMS) pode medir e modular a função e o comportamento cerebral humano na saúde e doença3,13,14,15.
TMS é um método seguro e não invasivo para estimular o cérebro humano16,17e pode ser usado para induzir e medir plasticidade18. Este método pode avançar nossa compreensão das relações causais entre áreas cerebrais individuais e comportamento10,11,12,19e suas interações funcionais específicas com outros nódulos de uma rede cerebral20,21,22,23. Até o momento, a maioria dos estudos se concentrou no sistema motor humano, dado que o TMS na área manual do córtex motor (M1) pode produzir potenciais espumários (MEPs) como leituras fisiológicas para mudanças associadas ao comportamento motor24, permitindo o exame de diferentes circuitos inibidores e excitatórios no nível do sistema no cérebro humano25. Avanços recentes usando uma abordagem tms de teste de condicionamento com duas bobinas mostram que é possível medir interações funcionais entre diferentes áreas corticais. No sistema motor, experimentos de TMS de dois locais mostram que insumos de áreas corticais interligadas com M1 podem mudar com demandas de tarefas, idade ou doença14,26. O trabalho seminal de Ferbert e colegas descobriu que aplicar um estímulo de condicionamento ao M1 antes de um estímulo de teste do outro M1 pode resultar em inibição da amplitude do EUROP, fenômeno conhecido como inibição intermemisférica de intervalo curto (SIHI)28. Vários estudos de TMS usando essa abordagem também mostraram que o M1 está fortemente interligado com o M1 contralateral, córtex pré-motor ventral (PMv), córtex pré-motor dorsal (PMd), área motora suplementar (SMA), pré-SMA, córtex sensorial primário (S1), córtex pré-frontal dorsolateral (DLPFC) e córtex parietal posterior (PPC) em repouso27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42. Curiosamente, o efeito da estimulação dessas áreas corticais na excitabilidade cortical motora é anatomicamente, temporalmente e funcionalmente específico para a atividade cerebral em curso durante a preparação de um movimento (estado e dependente do contexto43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69). No entanto, pouquíssimos estudos usando TMS de dois sites caracterizaram padrões de conectividade cortico-cortical funcional com prejuízos motores e cognitivos em pacientes com distúrbios cerebrais70,71,72. Isso oferece oportunidades para desenvolver novos métodos para avaliar e tratar distúrbios motores e cognitivos.
Utilizando essa técnica, verificou-se também que pares repetidos de TMS cortical aplicados a áreas corticais interligadas com M1 como o contralateral M168,69,70, PMv76,77,78, SMA71, e PPC80,81,82 podem induzir mudanças na eficiência sináptica em vias neurais específicas baseadas no princípio hebésio de plástico associativo83 ,84,85,86 e melhorar o desempenho comportamental72,73,74. Ainda assim, poucos estudos têm utilizado essa abordagem para estudar circuito e disfunção de plasticidade em distúrbios neurológicos2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96. Resta mostrar se o fortalecimento de vias neurais funcionalmente específicas com TMS pode restaurar a atividade em circuitos disfuncionais, ou se o potencial fortalecimento de circuitos intactos pode aumentar a resiliência97 em redes cerebrais que suportam a função motora e cognitiva ao longo da vida útil e na doença. A falta de compreensão fundamental dos mecanismos neurais subjacentes a distúrbios neurológicos e efeitos da estimulação em redes cerebrais disfuncionais interconectadas limita o tratamento atual.
Apesar de sua capacidade, a TMS ainda não se tornou uma parte padrão do armamento da neurociência e ferramentas clínicas para entender as relações de comportamento cerebral, fisiopatologia de distúrbios cerebrais e a eficácia do tratamento. Portanto, para realizar seu potencial e apoiar sua aplicação em larga escala, padronizar métodos TMS é importante porque é mais provável aumentar o rigor de futuros experimentos de TMS e reprodutibilidade em laboratórios independentes. Este artigo descreve como o TMS pode ser usado tanto para medir e manipular interações funcionais. Aqui, descrevemos essa técnica no sistema motor (por exemplo, a via parieto-motor44) medindo medidas de saída baseadas em TMS (por exemplo, MEPs), onde o método é melhor compreendido. No entanto, é importante notar que este protocolo também pode ser adaptado para o acoplamento funcional alvo de outras áreas subcorticais85, cerebellar86,87, e cortical. 73,74,88 Além disso, técnicas de neuroimagem como EEG89,90,91 e fMRI92,93 podem ser utilizadas para avaliar as alterações induzidas pelo TMS na atividade e conectividade26,94. Concluímos propondo que o estudo do envolvimento funcional da conectividade cortical de nível de circuito com esses métodos tms tanto em saúde quanto em doenças possibilita desenvolver diagnósticos direcionados e terapias inovadoras baseadas em modelos de rede mais sofisticados de relações de comportamento cerebral.

<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

Entender as interações entre áreas cerebrais é importante para o estudo do comportamento direcionado ao objetivo. A neuroimagem funcional da conectividade cerebral forneceu insights importantes sobre processos fundamentais do cérebro, como cognição, aprendizado e controle motor. No entanto, essa abordagem não pode fornecer evidências causais para o envolvimento de áreas cerebrais de interesse. A estimulação magnética transcraniana (TMS) é uma ferramenta poderosa e não invasiva para estudar o cérebro humano que pode superar essa limitação modificando transitivamente a atividade cerebral. Aqui, destacamos os recentes avanços usando um método TMS de pulso emparelhado e dual-site com duas bobinas que sondam interações cortico-cortical no sistema motor humano durante diferentes contextos de tarefas. Além disso, descrevemos um protocolo TMS de dois locais baseado em estimulação associativa emparelhada cortical (cPAS) que melhora transitivamente a eficiência sináptica em duas áreas cerebrais interconectadas, aplicando pares repetidos de estímulos corticos com duas bobinas. Esses métodos podem fornecer uma melhor compreensão dos mecanismos subjacentes à função cognitivo-motor, bem como uma nova perspectiva sobre a manipulação de vias neurais específicas de forma direcionada para modular circuitos cerebrais e melhorar o comportamento. Essa abordagem pode ser uma ferramenta eficaz para desenvolver modelos mais sofisticados de relações de comportamento cerebral e melhorar o diagnóstico e tratamento de muitos transtornos neurológicos e psiquiátricos.

A Figura 5 mostra o tamanho de uma resposta MEP exemplar provocada no músculo FDI por TMS para um teste de estímulos não condicionados (TS sozinho para M1, traço azul) ou estímulos condicionados do PPC (CS-TS, traço vermelho) enquanto o participante estava em repouso (painel superior) ou planejando uma ação de agarramento direcionada ao objetivo a um objeto (painel inferior). Em repouso, o PPC exerce uma influência inibidora no Ipsilateral M1, como mostrado pela diminuição das amp...

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

Este artigo descreve novas abordagens para medir e fortalecer vias neurais funcionalmente específicas com estimulação magnética transcraniana. Essas metodologias avançadas de estimulação cerebral não invasiva podem fornecer novas oportunidades para a compreensão das relações de comportamento cerebral e desenvolvimento de novas terapias para tratar distúrbios cerebrais.

Medir e manipular vias neurais funcionalmente específicas no sistema motor humano com estimulação magnética transcraniana

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

Esta técnica fornece uma visão de como os circuitos cerebrais dão errado, em distúrbios psiquiátricos e neurológicos. E como podemos manipular a atividade cerebral para reparar esses circuitos disfuncionais para melhorar o comportamento. Ao ativar e inibir diretamente a excitabilidade e os circuitos cerebrais, essa técnica permite a mudança do foco neurocientífico da observação para a causalidade, e fornece uma compreensão mais profunda do cérebro e do comportamento.A estimulação cerebral não invasiva pode ser usada tanto para avaliar e tratar muitas doenças neurológicas e pode ajudar a melhorar diagnósticos e terapias, com base em modelos mais sofisticados de conexões de comportamento cerebral. Este método pode não apenas neutralizar padrões de conectividade alterados no sistema motor, mas também em redes cognitivas associadas ao envelhecimento fisiológico, distúrbios psiquiátricos e neurológicos. Após a triagem dos participantes por destro e quaisquer contraindicações ao TMS e à Ressonância Magnética, informe cada participante sobre os objetivos, procedimentos e riscos do estudo aprovados pelo conselho de revisão institucional local e obtenha consentimento por escrito.Para a colocação dos eletrodos EMG, que o participante se sente confortavelmente na cadeira experimental, com ambos os braços apoiados em uma posição relaxada e forneça um descanso no queixo para manter o movimento da cabeça ao mínimo durante a estimulação. Use um abrasivo leve para limpar a pele sobre o músculo de interesse. Usando um arranjo de eletrodo do tendão da barriga, coloque um eletrodo de cloreto de prata descartável no músculo da barriga, e outro em um marco ósseo próximo como local de referência em ambas as mãos do participante.Em seguida, conecte um eletrodo moído ao processo estiloide dos proprietários e, em seguida, verifique entre cada eletrodo na pele para confirmar um contato completo. Colocando fita sobre a superfície do eletrodo para melhorar o contato da superfície da pele conforme necessário. Antes da sessão TMS, carregue a ressonância magnética estrutural dos participantes para um sistema de neuro-navegação.Dentro da varredura, coloque um marcador de trajetória no botão da mão o marco anatômico que corresponde ao M-um. No giro pré-central esquerdo 45 graus da linha sagital média, e aproximadamente perpendicular ao sulco central. Regissão e nomeie o marco anatômico, com o sistema de neuro-navegação, e coloque um marcador de segunda trajetória sobre a área não motora de interesse.Em seguida, registo e nomeie o segundo local com o sistema de neuro-navegação. Primeiro, calibrar cada bobina TMS com o bloco de calibração e colocar o rastreador da cabeça com segurança na cabeça do participante para que o rastreador esteja à vista durante toda a duração do experimento. Co-registre os marcos anatômicos na cabeça dos participantes, para o sistema de neuro-navegação.Para localização e limiar com bobina dois, primeiro posicione o centro da bobina sobre o local M-um alvo, para induzir uma direção de corrente posterior-anterior no cérebro. Para encontrar o local ideal para a ativação do músculo alvo, entregue pulsos para M-one a 30% da saída máxima estimuladora das máquinas e observe se a estimulação entregue produz uma contração muscular. Determine a amplitude do potencial evocado pelo motor registrado com os eletrodos EMG da atividade muscular exibida pelo sistema de aquisição de dados.Se um potencial evocado pelo motor ou uma contração muscular visível não for observado, continue a aumentar a saída do estimulador em incrementos de 5%. Quando uma resposta é observada, reduza a intensidade de forma stepwise à menor intensidade, que produz pelo menos cinco de 10 respostas potenciais evocadas por motores com uma amplitude de pelo menos 50 micro volts, enquanto o participante está a par para determinar o limiar motor de repouso. Para localizar e limiar com bobina M-1, use a bobina M-one para determinar o local ideal de estimulação.Determine a menor intensidade estimuladora necessária para gerar potenciais criados pelo motor de pelo menos um mililitro, em cinco de 10 ensaios no músculo da mão alvo, quando o músculo está completamente relaxado. Em seguida, marque e regise a posição da bobina M-one, dentro do sistema de neuro-navegação. Para TMS de dois andares quando o participante estiver no estado de repouso, conecte a figura de oito bobinas em forma a dois estimuladores TMS individuais.Entregue os estímulos de teste sobre M-um com a bobina M-1, e entregue os estímulos de condicionamento para a outra área de interesse com bobina dois. Determine a porcentagem da intensidade máxima de saída do estimulador para o estímulo condicionante para a bobina dois, conforme demonstrado. Para o estímulo do teste, use a intensidade previamente determinada que provoca amplitudes potenciais evocadas pelo motor de aproximadamente um milévolo no músculo quiescente alvo, e defina o intervalo interestimuloso preciso entre o condicionamento e os estímulos de teste.Posicione a bobina M-1 sobre o M-um esquerdo e posicione a bobina duas sobre a outra área de interesse. Entregue os estímulos de teste sozinhos com a bobina M-one. Para os ensaios de pulso emparelhados, entregue os estímulos de condicionamento com bobina dois seguidos pelos estímulos de teste para a bobina M-um no intervalo interestimuloso predeterminado, usando uma varredura de aquisição de quatro segundos de dados para cada ensaio, seguido por um segundo intervalo inter-ensaio.Para entregar o programa aos pulsos TMS, use o botão de gatilho na máquina TMS para o software de controle fornecido ou use o script de codificação personalizado do controlador externo. Utilizando o método descrito anteriormente, examine as interações funcionais entre diferentes áreas corticais interligadas ao M-um, mas durante a fase preparatória de uma tarefa que engaja a rede. Para entregar pares repetidos de pulsos monofásicos para duas áreas corticais diferentes em períodos curtos usando um script de codificação personalizado, gerar 100 pares de estímulos a 0,2 hertz por 8,3 minutos por estímulo.Para a condição experimental cPAS to M-one, entregue o primeiro pulso de cada par de estímulos sobre a área não motora com bobina dois, antes de entregar o segundo pulso sobre M-one com a bobina M-um, com um intervalo interestimuloso de cinco milissegundos. A intensidade do pulso para ambas as bobinas deve ser previamente determinada durante o limiar e localização. Após obter medições corticospinais de linha de base com a bobina M-one, obtenha medições corticospinais com a bobina M-one em diferentes momentos após o cPAS, para examinar o curso temporal do efeito induzido pelo TMS na excitabilidade cerebral.Aqui o tamanho de uma resposta potencial representativa evocada por motores provocado no primeiro músculo dorsal interosseous pela TMS para um teste incondicionado, ou estímulos condicionados do córtex parietal posterior, enquanto o participante estava em repouso, ou planejando uma ação direcionada para um objeto como mostrado. Em repouso, o córtex parietal posterior exerce uma influência inibitória sobre o M-um ipsilateral, como mostrado pela diminuição das amplitudes do MEP, potencializado por um estímulo de condicionamento sub-limiar entregue sobre ppc, cinco milissegundos antes de um estímulo de teste super limiar sobre M-um. Durante a preparação de uma ação de apreensão, esta unidade inibitória da rede em repouso do córtex parietal posterior, mude para facilitação.A normalização das amplitudes potenciais evocadas pelo motor para testar estímulos sozinhos para cada condição, e traçar como uma razão para amplitude potencial evocada por motores revelam que a interação posterior do córtex parietal M-um foi facilitada a partir do repouso, ao planejar uma compreensão direcionada pelo objeto. Nestas análises, podem ser observadas as mudanças nas amplitudes potenciais evocadas pelo motor durante a administração do protocolo cPAS. Amplitudes potenciais evocadas pelo motor induzidas pela estimulação emparelhada do córtex parietal posterior e M-um, aumentaram gradualmente ao longo do tempo durante o protocolo de estimulação, sugerindo efeitos plásticos no nível da conexão parietal-motor, neurônios corticospinais M-um ou ambos.O tamanho das amplitudes potenciais evocadas pelo motor aumentou 10 minutos após o protocolo cPAS, sugerindo que a excitabilidade motora após efeitos foram induzidos após a administração dos repetidos pares de estímulos corticais sobre o córtex parietal posterior e o M-um. Este protocolo pode ser aplicado a outras regiões cerebrais ou usado em conjunto com imagens cerebrais para estudar a conectividade cortical e seu efeito na cognição, percepção sensorial e humor. Padronizando esses protocolos de visão dupla, permitirá melhorias no design experimental e na otimização de terapias-alvo.Redução da morbidade e prejuízos em distúrbios neurológicos e psiquiátricos.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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