Name: measuring and manipulating functionally specific neural pathways in the human motor system with transcranial magnetic stimulation
Uploaded: 2020-02-23T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Measuring and Manipulating Functionally Specific Neural Pathways in the Human Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation at JoVE.com

Эта работа была поддержана Мичиганским университетом: MCubed ученых программы и школы кинезиологии.

Ниже описаны следующие три метода TMS. Во-первых, описаны два метода измерения кортико-кортической связи с помощью двухместных транскраниальной магнитной стимуляции (dsTMS), в то время как участники находятся либо в 1) в состоянии отдыха (состояние отдыха), либо 2) выполняя движение, направле?...

Описанный здесь метод TMS с двойным участком может быть использован для изучения функциональных взаимодействий между различными корными областями, взаимосвязанными с первичной моторной корой, в то время как участник находится в состоянии покоя или планирует целенаправленное действие...

Неинвазивная стимуляция мозга является перспективным инструментом оценки и лечения многих неврологических расстройств, таких как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, и инсульт1,2,3,4. Существует накопление доказательств установления связи между поведенческими проявлениями неврологических заболеваний и аномалии корковой возбудимости, нейропластичность, кортико-кортикальной и кортико-субкортикальной связи5,6. Таким образом, базовые знания о динамике мозговой сети и пластичности в неврологических условиях могут обеспечить бесценное понимание диагностики заболеваний, прогрессирования и реакции на терапию. Функциональная магнитно-резонансная томография(fМРТ) является полезным инструментом для понимания сложных отношений между мозгом и поведением в здоровых и больных сетях мозга и имеет потенциал для улучшения лечения на основе сетевой перспективы7,8,9. Тем не менее, FМРТ является корреляционным по своему характеру и не может обеспечить причинно-следственную связь между функцией мозга и поведением, ни манипулировать функциональной связи для восстановления аномальных нейронных цепей, связанных с поведенческими нарушениями у пациентов10,11,12. Транскраниальная магнитная стимуляция (TMS) может как причинно измерять, так и модулировать функцию и поведение мозга человека в области здоровья и болезни3,13,14,15.
TMS является безопасным, неинвазивным методом стимулирования человеческого мозга16,17и может быть использован для индуцирования и измерения пластичности18. Этот метод может продвинуть наше понимание причинно-следственных связей между отдельными областями мозга и поведением10,11,12,19и их специфические функциональные взаимодействия с другими узлами мозговой сети20,21,22,23. На сегодняшний день большинство исследований были сосредоточены на двигательной системе человека, учитывая, что TMS в области рук окоражного двигателя (M1) может производить двигатель вызванные потенциалы (MEPs) как физиологические считывания для изменений, связанных с поведением двигателя24, что позволяет иссмотреть различные ингибирующие и возбуждающие цепи на системном уровне в мозге человека25. Последние достижения с использованием кондиционирования тест TMS подход с двумя катушками показывают, что можно измерить функциональные взаимодействия между различными корковых областях. В моторной системе эксперименты TMS с двойным участком показывают, что входы из корковых областей, связанных с M1, могут меняться с требованиями задач, возрастом или болезнью14,26. Семинальная работа Ферберта и его коллег обнаружила, что применение стимула кондиционирования к M1 до испытательного стимула других M1 может привести к ингибированию амплитуды MEP, явление, известное как короткое интергемистическое ингибирование интергемэфиков (SIHI)28. Ряд исследований TMS с использованием этого подхода также показали, что M1 тесно связан адругойальной M1, брюшной премоторной коры (PMv), дорсальной премоторной коры (PMd), дополнительной двигательной области (SMA), предварительно SMA, первичной сенсорной коры (S1), дорсолатеральной префронтальной коры (DLPFC), и задней теменной коры (КПП) в состоянии покоя27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42. Интересно, что влияние стимуляции из этих корковых областей на двигательную возбудимость коры анатомически, временно и функционально специфична для текущей активности мозга во время подготовки движения (состояние- и контекст-зависимых43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69). Тем не менее, очень немногие исследования с использованием двойного сайта TMS характеризуют модели функциональной кортико-корковой связи с двигательными и когнитивными нарушениями у пациентов с нарушениями мозга70,71,72. Это дает возможность разработать новые методы оценки и лечения двигательных и когнитивных расстройств.
Используя этот метод, было также установлено, что повторяющиеся пары корковых TMS применяется к корковых областях, связанных с M1, таких как контрлатеральные M168,69,70, PMv76,77,78, SMA71, и КПП80,81,82 может вызвать изменения в синаптической эффективности в конкретных нейронных путей на основе принципа Хеббияна ассоциированной83 ,84,85,86 и повысить поведенческую производительность72,73,74. Тем не менее, несколько исследований использовали этот подход для изучения цепи и пластичности дисфункции в неврологических расстройств2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96. Это еще предстоит показать, является ли укрепление функционально специфических нервных путей с TMS может восстановить активность в дисфункциональных схем, или же предполагаемое укрепление нетронутыми схемы может увеличить устойчивость97 в мозговых сетях поддержки двигательных и когнитивных функций на протяжении всей жизни и в болезни. Отсутствие фундаментального понимания нервных механизмов, лежащих в основе неврологических расстройств и последствий стимуляции на взаимосвязанные дисфункциональные сети мозга, ограничивает текущее лечение.
Несмотря на свои возможности, TMS до сих пор не стала стандартной частью вооружения неврологии и клинических инструментов для понимания отношений мозга и поведения, патофизиологии расстройств головного мозга, и эффективность лечения. Поэтому для реализации своего потенциала и поддержки его крупномасштабного применения важно стандартизацию методов TMS, поскольку это, скорее всего, повысит строгость будущих экспериментов TMS и воспроизводимость в независимых лабораториях. В этой статье описывается, как TMS может быть использован как для измерения, так и для манипулирования функциональными взаимодействиями. Здесь мы описываем эту технику в моторной системе (например, parieto-motor pathway44) путем измерения показателей вывода на основе TMS (например, MEPs), где метод лучше всего понимается. Тем не менее, важно отметить, что этот протокол также может быть адаптирован к целевой функциональной связи других подкорковых85, мозжечковой86,87, и корковых областях. 73,74,88 Кроме того, нейровизуализации методы, такие как ЭЭГ89,90,91 и МРТ92,93 могут быть использованы для оценки TMS-индуцированных изменений в деятельности и подключения26,94. В заключение мы предлагаем, что изучение функционального участия корковой связи на уровне цепи с этими методами TMS как в области здоровья, так и при заболеваниях позволяет разрабатывать целевые диагнозы и инновационные методы лечения на основе более сложных сетевых моделей отношений между мозгом и поведением.

<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

Понимание взаимодействия между областями мозга имеет важное значение для изучения целенаправленного поведения. Функциональная нейровизуализация связности мозга дала важное представление о фундаментальных процессах мозга, таких как познание, обучение и двигательный контроль. Однако такой подход не может служить причинно-следственной связью с участием областей мозга, представляющих интерес. Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) является мощным, неинвазивным инструментом для изучения человеческого мозга, который может преодолеть это ограничение путем преходящего изменения активности мозга. Здесь мы выделяем последние достижения с помощью парного импульса, двойного сайта TMS метод с двумя катушками, что причинно-следственные зонды кортико-кортических взаимодействий в двигательной системе человека в различных контекстах задачи. Кроме того, мы описываем протокол TMS с двойным участком на основе корковой парной ассоциативной стимуляции (cPAS), который временно повышает синаптической эффективности в двух взаимосвязанных областях мозга, применяя повторяющиеся пары корковых стимулов с двумя катушками. Эти методы могут обеспечить лучшее понимание механизмов, лежащих в основе когнитивно-двигательной функции, а также новый взгляд на манипулирование конкретными нервными путями в целенаправленной модулировать мозг схем и улучшить поведение. Этот подход может оказаться эффективным инструментом для разработки более сложных моделей отношений между мозгом и поведением и улучшения диагностики и лечения многих неврологических и психических расстройств.

На рисунке 5 показан размер примерного ответа MEP, вызванного в мышце ПИИ TMS для некондиционированных тестовых стимулов (TS только для M1, синий след) или условных стимулов от КПП (CS-TS, красный след), в то время как участник был в состоянии покоя (верхняя панель) или планировани?...

Watch this Scientific Journal Video about Measuring and Manipulating Functionally Specific Neural Pathways in the Human Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation at JoVE.com

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

В этой статье описаны новые подходы к измерению и укреплению функционально специфических нервных путей с транскраниальной магнитной стимуляцией. Эти передовые неинвазивные методы стимуляции мозга могут предоставить новые возможности для понимания отношений между мозгом и поведением и разработки новых методов лечения расстройств мозга.

Измерение и манипулирование функционально специфическими нейронными путями в моторной системе человека с транскраниальной магнитной стимуляцией

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

Этот метод дает представление о том, как мозг цепи идут наперекосяк, в психиатрических и неврологических расстройств. И как мы можем манипулировать мозговой активностью, чтобы восстановить эти дисфункциональные схемы для улучшения поведения. Непосредственно активируя и ингибируя возбудимость мозга и схемы, этот метод позволяет смещать нейро-научный фокус от наблюдения к причинно-следственной связи, и обеспечивает более глубокое понимание мозга и поведения.Неинвазивная стимуляция мозга может быть использована для оценки и лечения многих неврологических расстройств и может помочь улучшить диагнозы и методы лечения, основанные на более сложных моделях связей поведения мозга. Этот метод может противодействовать не только измененным моделям подключения в двигательной системе, но и когнитивным сетям, связанным с физиологическим старением, психическими и неврологическими расстройствами. После скрининга участников на правое руки и любых противопоказаний к TMS и МРТ, сообщите каждому участнику о целях исследования, процедурах и рисках, утвержденных местным институциональным советом по обзору, и получите письменное согласие.Для размещения электродов ЭМГ, иметь участника удобно сидеть в экспериментальном кресле, с обеими руками поддерживается в расслабленном положении и обеспечить подбородок отдых, чтобы сохранить движение головы до минимума во время стимуляции. Используйте мягкий абразив для очистки кожи над мышцей интереса. Используя расположение электрода сухожилия живота, поместите один одноразовый серебряный серебряный хлоридный электрод на мышцу живота, а другой на близлежащую костлявую достопримечательность в качестве эталонного места на обеих руках участника.Затем подключите наземный электрод к стилоиду владельцев процесса, а затем проверить между каждым электродом в коже, чтобы подтвердить полный контакт. Размещение ленты на поверхности электрода для улучшения контакта поверхности кожи по мере необходимости. Перед сеансом TMS загрузите структурное МРТ участников в нейронавигавигационную систему.В рамках сканирования поместите маркер траектории на ручную ручку анатомического ориентира, который соответствует M-one. В левой прецентральной извилины 45 градусов от средней сагиттарной линии, и примерно перпендикулярно центральному сульсу. Запись и название анатомической ориентир, с нейро-навигационной системы, и место второй маркер траектории над немоторной области интереса.Затем заместите и назовите второе место с помощью нейронавигационной системы. Во-первых, откалибровать каждую катушку TMS с блоком калибровки, и поместить головку трекер надежно на голову участника, так что трекер находится в поле зрения на протяжении всего эксперимента. Регистрация анатомических ориентиров на голове участников, в нейронавигационной системе.Для локализации и порога с катушки два, первое положение центра катушки над целью М-один месте, чтобы вызвать заднего переднего направления тока в головном мозге. Чтобы найти оптимальное место для активации целевой мышцы, доставить импульсы M-one на 30% от машины максимальный выход стимулятора, и наблюдать, является ли поставленная стимуляция производит мышечное подергивание. Определите амплитуду вызываемого мотором потенциала, записанного электродами ЭМГ, по мышечной активности, отображаемой системой сбора данных.Если не наблюдается двигательного потенциала или видимого подергивания мышц, продолжайте увеличивать выход стимулятора на 5%. При наблюдении реакции, снизить интенсивность в шаг за шагом до самой низкой интенсивности, которая производит по крайней мере пять из 10 двигательных вызванных потенциальных ответов с амплитудой не менее 50 микро вольт, в то время как участник в курсе, чтобы определить порог отдыха двигателя. Чтобы локализовать и порог с катушки M-one, используйте катушки M-one, чтобы определить оптимальное расположение стимуляции.Определите самую низкую интенсивность стимулятора, необходимую для генерации двигательных потенциалов по крайней мере одного милливольта, в пяти из 10 испытаний в мышцах рук-мишеней, когда мышца полностью расслаблена. Затем отметь и записывают положение катушки М-1 в нейронавигационной системе. Для двух-сайт TMS, когда участник находится в состоянии покоя, подключите фигуру восьмиобразных катушек к двум отдельным стимуляторам TMS.Доставка тестовых стимулов над M-one с катушки M-one, и доставить кондиционирования стимулы в другую область интереса с катушки два. Определите процент максимальной интенсивности выхода стимулятора для стимула кондиционирования для катушки 2, как попродемонстрировано. Для теста стимул, использовать ранее определены интенсивности, которая вызывает двигатель вызвали потенциальные амплитуды примерно один милливольт в целевой тихие мышцы рук, и установить точный межстимулирующий интервал между кондиционирования и тест стимулов.Распоить катушку М-один над левой M-one и положение катушки два над другой области интереса. Доставка тестовых стимулов только испытания с катушки M-one. Для парных испытаний импульса, доставить кондиционирования стимулы с катушки два следуют испытания стимулов К M-один катушки на заданном межстимульсовом интервале, используя четыре вторых данных приобретения развертки для каждого испытания, а затем один второй межюсюйный интервал.Чтобы доставить программу на импульсы TMS, используйте кнопку триггера на машине TMS для поставляемого программного обеспечения управления или используйте изготовленный на заказ сценарий кодирования от внешнего контроллера. Используя ранее описанный метод, изучите функциональные взаимодействия между различными корковыми областями, взаимосвязанными с M-one, но на подготовительном этапе задачи, которая привлекает сеть. Чтобы доставить повторяющиеся пары монофазных импульсов в две различные корковые области в течение коротких периодов времени с помощью пользовательского сценария кодирования, создать 100 пар стимулов на 0,2 герц в течение 8,3 минут на стимул.Для экспериментального cPAS к условию M-one, поставить первый импульс каждого стимула пары над немоторной области с катушки два, прежде чем доставить второй импульс над M-one с катушки M-one, с межстимульсовой интервалом в пять миллисекунд. Интенсивность импульса для обеих катушек, должна быть ранее определена во время порога и локализации. После получения базовых кортикоспинальных измерений с катушкой М-1, получить кортикоспинальные измерения с катушки M-one в разное время после cPAS, чтобы изучить ход времени TMS индуцированного воздействия на возбудимость мозга.Здесь размер репрезентативного мотора вызвал потенциальную реакцию, вызванную в первой спинной interosseous мышцы TMS для unconditioned тест, или условный стимул из задней теменной коры, в то время как участник был в состоянии покоя, или планирование цели направлены захвата действий на объект, как показано на. В покое, задняя теменной коры оказывает ингибирующее влияние на ипсилатеральный M-один, как показано на снижение Амплитуд MEP, потенцировал суб-порог кондиционирования стимул доставлен над КПП, пять миллисекунд до супер порог тестирования стимула над M-one. Во время подготовки захвата действия, этот чистый ингибирующее диск в покое от задней теменной коры, переключиться на содействие.Нормализация двигатель-вызванных потенциальных амплитуд для тестирования стимулов только испытания для каждого состояния, и построения в качестве соотношения для двигательных вызванных потенциальной амплитуды показывают, что задняя темная кора M-один взаимодействия было облегчено от отдыха, при планировании объекта направленного захвата. В этом анализе можно наблюдать изменения в двигательных потенциальных амплитудах при администрировании протокола CPAS. Вызванные мотором потенциальные амплитуды, вызванные парной стимуляцией задней теменной коры и М-1, постепенно увеличивались с течением времени во время протокола стимуляции, предлагая пластические эффекты на уровне теменной моторной связи, M-one кортикоспинальных нейронов или обоих.Размер вызванных мотором потенциальных амплитуд увеличился через 10 минут после протокола cPAS, что свидетельствует о том, что возбудимость двигателя после воздействия были вызваны после введения повторяющихся пар корковых стимулов над задней теменной корой и M-one. Этот протокол может быть применен к другим областям мозга или использоваться в сочетании с визуализацией мозга для изучения корковых связей и его влияния на познание, чувственное восприятие и настроение. Стандартизация этих протоколов двойного прицела позволит улучшить экспериментальный дизайн и оптимизацию целевых методов лечения.Снижение заболеваемости и нарушений при неврологических и психических расстройствах.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Объединение транскраниальной магнитной стимуляции и МРТ по анализу сети Режим по умолчанию

The default mode network is a group of brain regions that are active when an individual is not focused on the outside world and the brain is at "wakeful ...

Electrode Positioning and Montage in Transcranial Direct Current Stimulation

Позиционирование электродов и монтаж в Транскраниальная постоянного тока стимуляции

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

Использование магнитно-резонансной спектроскопии как инструмент для измерения Би-полушария транскраниальной электрической стимуляции эффектов на первичной моторной коры обмена веществ

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

Эффекты переменного тока транскраниальной стимуляции на первичной моторной коры, онлайн комбинированный подход с транскраниальная магнитная стимуляция

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

Онлайн транскраниальной магнитной стимуляции протокол для измерения корковых физиологии, связанные с ингибированием ответ

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

Комбинированные транскраниальной магнитной стимуляции и электроэнцефалография Дорсолатеральное префронтальной коры

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

Двусторонней оценки кортикоспинальных путей лодыжки мышц используя переход транскраниальная магнитная стимуляция

Distal leg muscles receive neural input from motor cortical areas via the corticospinal tract, which is one of the main motor descending pathway in humans ...

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

3D кинематический анализ для функциональной оценки в Крыса Модель Сиатический нерв Давка травмы

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

Одновременное применение транскраниальной стимуляции током во время воздействия виртуальной реальности

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

Транскраниальная стимуляция током (tDCS) для улучшения памяти

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