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

Este trabajo fue apoyado por la Universidad de Michigan: MCubed Scholars Program y School of Kinesiology.

Los tres métodos siguientes TMS se describen abajo. En primer lugar, se describen dos métodos para medir la conectividad corticocortical mediante la estimulación magnética transcraneal de doble sitio (dsTMS) mientras que los participantes están 1) en reposo (estado de reposo) o 2) realizando un movimiento de alcance a agarre dirigido por objetos ( dependiente de la tarea). En segundo lugar, se describe un método de estimulación asociativa corética (CPAS) emparejada cortical para modular la interacción entre dos ...

El método TMS de doble sitio descrito aquí se puede emplear para investigar las interacciones funcionales entre diferentes áreas corticales interconectadas con la corteza motora primaria mientras un participante está en reposo o planeando una acción dirigida por objetivos. Si bien las imágenes cerebrales son correlativas, el conocimiento básico de los métodos TMS de doble sitio puede revelar relaciones causales cerebro-comportamiento asociados con cambios en los circuitos corticocorticales. Además, se puede empl...

La estimulación cerebral no invasiva es una herramienta de evaluación prometedora y tratamiento para muchos trastornos neurológicos, como la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer y el accidente cerebrovascular1,2,3,4. Existe evidencia acumulada que establece la relación entre las manifestaciones conductuales de las enfermedades neurológicas y las anomalías de excitabilidad cortical, neuroplasticidad, conectividad corticocortical y cortico-subcortical5,6. Por lo tanto, los conocimientos básicos sobre la dinámica de la red cerebral y la plasticidad en condiciones neurológicas pueden proporcionar una visión invaluable del diagnóstico de la enfermedad, la progresión y la respuesta a la terapia. La resonancia magnética funcional(fMRI) es una herramienta útil para entender las complejas relaciones entre el cerebro y el comportamiento tanto en redes cerebrales sanas como enfermas y tiene el potencial de mejorar el tratamiento basado en una perspectiva de red7,8,9. Sin embargo, fLA RMN es de naturaleza corética y no puede proporcionar una relación causal entre la función cerebral y el comportamiento, ni manipular la conectividad funcional para restaurar los circuitos neuronales anormales asociados con deficiencias conductuales en pacientes10,11,12. La estimulación magnética transcraneal (TMS) puede medir y modular causalmente la función y el comportamiento del cerebro humano en salud y enfermedad3,13,14,15.
TMS es un método seguro y no invasivo para estimular el cerebro humano16,17y se puede utilizar para inducir y medir la plasticidad18. Este método puede avanzar en nuestra comprensión de las relaciones causales entre las áreas cerebrales individuales y el comportamiento10,11,12,19y sus interacciones funcionales específicas con otros nodos de una red cerebral20,21,22,23. Hasta la fecha, la mayoría de los estudios se han centrado en el sistema motor humano, dado que tmS a la zona de la mano de la corteza motora (M1) puede producir potenciales evocados motor (MEP) como lecturas fisiológicas para los cambios asociados con el comportamiento motor24, permitiendo el examen de diferentes circuitos inhibitorios y excitatorios a nivel del sistema en el cerebro humano25. Los avances recientes utilizando un enfoque TMS de prueba de acondicionamiento con dos bobinas muestran que es posible medir las interacciones funcionales entre diferentes áreas corticales. En el sistema motor, los experimentos TMS de doble sitio muestran que las entradas de áreas corticales interconectadas con M1 pueden cambiar con las demandas de tareas, la edad o la enfermedad14,26. El trabajo seminal de Ferbert y sus colegas ha descubierto que la aplicación de un estímulo de acondicionamiento a M1 antes de un estímulo de prueba del otro M1 puede dar lugar a la inhibición de la amplitud del MEP, un fenómeno conocido como inhibición interhemisférica de intervalo corto (SIHI)28. Varios estudios de TMS que utilizan este enfoque también han demostrado que M1 está fuertemente interconectado con la M1 contralateral, la corteza prerrenal ventral (PMv), la corteza premotora dorsal (PMd), el área motora suplementaria (SMA), la pre-SMA, la corteza sensorial primaria (S1), corteza prefrontal dorsolateral (DLPFC) y corteza parietal posterior (PPC) en reposo27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42. Curiosamente, el efecto de la estimulación de estas áreas corticales en la excitabilidad cortical motora es anatómica, temporal y funcionalmente específico de la actividad cerebral en curso durante la preparación de un movimiento (dependiente del estado y del 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). Sin embargo, muy pocos estudios con TMS de doble sitio han caracterizado patrones de conectividad corticocortical funcional con deficiencias motoras y cognitivas en pacientes con trastornos cerebrales70,71,72. Esto ofrece oportunidades para desarrollar nuevos métodos para evaluar y tratar trastornos motores y cognitivos.
Utilizando esta técnica, también se ha encontrado que los pares repetidos de TMS cortical aplicados a áreas corticales interconectadas con M1 como contralateral M168,69,70, PMv76,77,78, SMA71, y PPC80,81,82 pueden inducir cambios en la eficiencia sináptica en vías neuronales específicas basadas en el principio hebbiana de plástico asociativo83 ,84,85,86 y mejorar el rendimiento conductual72,73,74. Aún así, pocos estudios han utilizado este enfoque para estudiar el circuito y la disfunción plasticidad en trastornos neurológicos2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92, 93,94,95,96. Queda por demostrar si el fortalecimiento de vías neuronales funcionalmente específicas con TMS puede restaurar la actividad en circuitos disfuncionales, o si el fortalecimiento prospectivo del circuito intacto puede aumentar la resiliencia97 en redes cerebrales que apoyan la función motora y cognitiva a lo largo de la vida útil y en la enfermedad. La falta de comprensión fundamental de los mecanismos neuronales subyacentes a los trastornos neurológicos y los efectos de la estimulación en las redes cerebrales disfuncionales interconectadas limita el tratamiento actual.
A pesar de su capacidad, TMS todavía no se ha convertido en una parte estándar del armamento de la neurociencia y herramientas clínicas para entender las relaciones cerebro-comportamiento, la fisiopatología de los trastornos cerebrales y la eficacia del tratamiento. Por lo tanto, para realizar su potencial y apoyar su aplicación a gran escala, estandarizar los métodos TMS es importante porque es más probable aumentar el rigor de futuros experimentos TMS y reproducibilidad en laboratorios independientes. Este artículo describe cómo TMS se puede utilizar para medir y manipular las interacciones funcionales. Aquí, describimos esta técnica en el sistema motor (por ejemplo, la vía parietomotor44)midiendo las medidas de salida basadas en TMS (por ejemplo, los eurodiputados), donde el método se entiende mejor. Sin embargo, es importante señalar que este protocolo también se puede adaptar al acoplamiento funcional objetivo de otras áreas subcorticales85,cerebelosas86,87y corticales. 73,74,88 Además, técnicas de neuroimagen como EEG89,90,91 y fMRI92,93 se pueden utilizar para evaluar los cambios inducidos por TMS en la actividad y la conectividad26,94. Concluimos proponiendo que el estudio de la implicación funcional de la conectividad cortical a nivel de circuito con estos métodos TMS tanto en salud como en enfermedad permita desarrollar diagnósticos específicos y terapias innovadoras basadas en modelos de red más sofisticados de relaciones cerebro-comportamiento.

<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

Comprender las interacciones entre las áreas cerebrales es importante para el estudio del comportamiento dirigido a objetivos. La neuroimagen funcional de la conectividad cerebral ha proporcionado información importante sobre los procesos fundamentales del cerebro como la cognición, el aprendizaje y el control motor. Sin embargo, este enfoque no puede proporcionar evidencia causal para la participación de áreas cerebrales de interés. La estimulación magnética transcraneal (TMS) es una poderosa herramienta no invasiva para estudiar el cerebro humano que puede superar esta limitación modificando transitoriamente la actividad cerebral. Aquí, destacamos los avances recientes utilizando un método TMS de pulso doble de pulso emparejado con dos bobinas que sondas causalmente interacciones corticocorticales en el sistema motor humano durante diferentes contextos de tareas. Además, describimos un protocolo TMS de doble sitio basado en la estimulación asociativa corical emparejada (CPAS) que mejora transitoriamente la eficiencia sináptica en dos áreas cerebrales interconectadas mediante la aplicación de pares repetidos de estímulos corticales con dos bobinas. Estos métodos pueden proporcionar una mejor comprensión de los mecanismos subyacentes a la función cognitivo-motora, así como una nueva perspectiva sobre la manipulación de vías neuronales específicas de una manera dirigida para modular los circuitos cerebrales y mejorar el comportamiento. Este enfoque puede resultar ser una herramienta eficaz para desarrollar modelos más sofisticados de relaciones cerebro-comportamiento y mejorar el diagnóstico y el tratamiento de muchos trastornos neurológicos y psiquiátricos.

La Figura 5 muestra el tamaño de una respuesta ejemplar del MEP obtenida en el músculo de la IED por TMS para un estímulo de prueba no condicionado (TS solo a M1, traza azul) o estímulos acondicionados de PPC (CS-TS, traza roja) mientras el participante estaba en reposo (panel superior) o planeando una acción de agarre dirigida a objetivos a un objeto (panel inferior). En reposo, el PPC ejerce una influencia inhibitoria sobre el M1 ipsilateral, como lo demuestra la disminución de las a...

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

Este artículo describe nuevos enfoques para medir y fortalecer las vías neuronales funcionalmente específicas con estimulación magnética transcraneal. Estas metodologías avanzadas de estimulación cerebral no invasiva pueden proporcionar nuevas oportunidades para la comprensión de las relaciones cerebro-comportamiento y el desarrollo de nuevas terapias para tratar los trastornos cerebrales.

Medición y manipulación de vías neuronales funcionalmente específicas en el sistema motor humano con estimulación magnética transcraneal

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

Esta técnica proporciona una visión de cómo los circuitos cerebrales van mal, en trastornos psiquiátricos y neurológicos. Y cómo podemos manipular la actividad cerebral para reparar estos circuitos disfuncionales para mejorar el comportamiento. Mediante la activación e inhibición directa de la excitabilidad cerebral y los circuitos, esta técnica permite el cambio de enfoque neurocientífico de la observación a la causalidad, y proporciona una comprensión más profunda del cerebro y el comportamiento.La estimulación cerebral no invasiva se puede utilizar para evaluar y tratar muchos trastornos neurológicos y puede ayudar a mejorar los diagnósticos y terapias, basados en modelos más sofisticados de conexiones de comportamiento cerebral. Este método no sólo puede contrarrestar los patrones de conectividad alterados en el sistema motor, sino también en las redes cognitivas asociadas con el envejecimiento fisiológico, trastornos psiquiátricos y neurológicos. Después de examinar a los participantes para la mano derecha y cualquier contraindicación a TMS y RMN, informe a cada participante sobre los objetivos del estudio, procedimientos y riesgos aprobados por la junta de revisión institucional local y obtenga el consentimiento por escrito.Para la colocación de los electrodos EMG, haga que el participante se siente cómodamente en la silla experimental, con ambos brazos apoyados en una posición relajada y proporcionar un reposa barbilla para mantener el movimiento de la cabeza al mínimo durante la estimulación. Usa un abrasivo suave para limpiar la piel sobre el músculo de interés. Usando una disposición de electrodo de tendón del vientre, coloque un electrodo de cloruro de plata desechable en el músculo del vientre, y otro en un punto de referencia óseo cercano como un sitio de referencia en ambas manos del participante.A continuación, conecte un electrodo de tierra al proceso estiloide de los propietarios, luego compruebe entre cada electrodo en la piel para confirmar un contacto completo. Colocar cinta sobre la superficie del electrodo para mejorar el contacto de la superficie de la piel según sea necesario. Antes de la sesión TMS, cargue la resonancia magnética estructural de los participantes a un sistema de neuronavegación.Dentro de la exploración, coloque un marcador de trayectoria en la perilla de la mano del punto de referencia anatómico que corresponde a M-one. En el giro precentral izquierdo 45 grados de la línea sagital media, y aproximadamente perpendicular al sulcus central. Registre y nombre el punto de referencia anatómico, con el sistema de neuronavegación, y coloque un marcador de segunda trayectoria sobre el área no motora de interés.A continuación, registre y nombre la segunda ubicación con el sistema de neuronavegación. Primero, calibra cada bobina TMS con el bloque de calibración, y coloca el rastreador de cabeza firmemente en la cabeza del participante para que el rastreador esté a la vista durante toda la duración del experimento. Co-registrar los puntos de referencia anatómicos en la cabeza de los participantes, al sistema de neuro-navegación.Para localizar y umbral con la bobina dos, primero coloque el centro de la bobina sobre la ubicación M-uno objetivo, para inducir una dirección de corriente posterior-anterior en el cerebro. Para encontrar la ubicación óptima para la activación del músculo objetivo, entregue pulsos a M-one al 30% de la salida máxima del estimulador de las máquinas, y observe si la estimulación entregada produce una contracción muscular. Determinar la amplitud del potencial evocado por motor registrado con los electrodos EMG a partir de la actividad muscular mostrada por el sistema de adquisición de datos.Si no se observa un potencial evocado por motor o una contracción muscular visible, continúe aumentando la producción del estimulador en incrementos de 5%. Cuando se observa una respuesta, reduzca la intensidad de manera escalonada a la intensidad más baja, que produce al menos cinco de cada 10 respuestas potenciales evocadas por motor con una amplitud de al menos 50 micro voltios, mientras que el participante está al día para determinar el umbral motor en reposo. Para localizar y umbral con la bobina M-one, utilice la bobina M-one para determinar la ubicación óptima de la estimulación.Determinar la menor intensidad del estimulador necesario para generar potenciales evolucionados motores de al menos un milivoltios, en cinco de 10 ensayos en el músculo de la mano objetivo, cuando el músculo está completamente relajado. A continuación, marque y registre la posición de la bobina M-one, dentro del sistema de neuronavegación. Para TMS de doble sitio cuando el participante está en el estado de reposo, conecte la figura bobinas de ocho formas a dos estimuladores TMS individuales.Entregue los estímulos de prueba sobre M-one con la bobina M-one, y entregue los estímulos de acondicionamiento a la otra área de interés con la bobina dos. Determinar el porcentaje de la intensidad de salida del estimulador máximo para el estímulo de acondicionamiento para la bobina dos como se ha demostrado. Para el estímulo de prueba, utilice la intensidad previamente determinada que provoca amplitudes potenciales evocadas por el motor de aproximadamente un milivoltios en el músculo de la mano en reposo objetivo, y establezca el intervalo de interestimulo preciso entre los estímulos de acondicionamiento y prueba.Coloque la bobina M-one sobre la M-uno izquierda y coloque la bobina dos sobre la otra área de interés. Entregue los estímulos de prueba solo con la bobina M-one. Para los ensayos de pulso emparejados, entregue los estímulos de acondicionamiento con la bobina dos seguidos de los estímulos de prueba a la bobina M-one en el intervalo de interestimulo predeterminado, utilizando un barrido de adquisición de datos de cuatro segundos para cada ensayo, seguido de un segundo intervalo entre pruebas.Para entregar el programa a los pulsos TMS, utilice el botón del activador en la máquina TMS para el software de control suministrado, o utilice el script de codificación hecho a medida del regulador externo. Utilizando el método descrito anteriormente, examine las interacciones funcionales entre diferentes áreas corticales interconectadas con M-one, pero durante la fase preparatoria de una tarea que involucra a la red. Para entregar pares repetidos de pulsos monofásicos a dos áreas corticales diferentes durante períodos cortos utilizando un script de codificación hecho a medida, genere 100 pares de estímulos a 0,2 hercios durante 8,3 minutos por estímulo.Para la condición experimental de cPAS a M-one, entregue el primer pulso de cada par de estímulos sobre el área no motora con la bobina dos, antes de entregar el segundo pulso sobre M-uno con la bobina M-one, con un intervalo de interestimulo de cinco milisegundos. La intensidad del pulso para ambas bobinas, debe determinarse previamente durante el umbral y la localización. Después de obtener las mediciones corticospinales basales con la bobina M-one, obtener mediciones corticospinales con la bobina M-one en diferentes momentos después de cPAS, para examinar el curso de tiempo del efecto inducido por TMS sobre la excitabilidad cerebral.Aquí el tamaño de una respuesta potencial provocada por motor representativo provocó en el primer músculo interososo dorsal por TMS para una prueba no condicionada, o estímulo condicionado de la corteza parietal posterior, mientras el participante estaba en reposo, o la planificación de un objetivo dirigido acción de agarre a un objeto como se muestra. En reposo, la corteza parietal posterior ejerce una influencia inhibitoria sobre el M-one ipsilateral, como lo demuestra la disminución de las amplitudes del MEP, potenciada por un estímulo de acondicionamiento de sub-umbral entregado sobre PPC, cinco milisegundos antes de un estímulo de prueba de super umbral sobre M-one. Durante la preparación de una acción de agarre, esta unidad de inhibidor de la red en reposo de la corteza parietal posterior, cambiar a la facilitación.La normalización de las amplitudes potenciales evocadas por el motor a los ensayos de ensayo solos para cada condición, y el trazado como una relación para la amplitud potencial evocada por motor revelan que la interacción posterior de la corteza parietal M-uno se facilitó del reposo, al planificar un objetivo dirigido agarre. En estos análisis, se pueden observar los cambios en las amplitudes potenciales evocadas por motor durante la administración del protocolo cPAS. Las amplitudes potenciales evocadas a motor inducidas por la estimulación emparejada de la corteza parietal posterior y la M-uno, aumentaron gradualmente con el tiempo durante el protocolo de estimulación, sugiriendo efectos plásticos a nivel de la conexión parietal-motor, neuronas corticospinales M-one o ambas.El tamaño de las amplitudes potenciales evocadas por el motor aumentó 10 minutos después del protocolo cPAS, lo que sugiere que la excitabilidad motora después de los efectos se indujo después de la administración de los pares repetidos de estímulos corticales sobre la corteza parietal posterior y el M-uno. Este protocolo se puede aplicar a otras regiones del cerebro o utilizarse junto con imágenes cerebrales para estudiar la conectividad cortical y su efecto sobre la cognición, la percepción sensorial y el estado de ánimo. La estandarización de estos protocolos de doble visión, permitirá mejoras en el diseño experimental y la optimización de terapias dirigidas.Reducción de la morbilidad y deficiencias en trastornos neurológicos y psiquiátricos.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

La combinación de Estimulación Magnética Transcraneal y fMRI para examinar la red en modo por defecto

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 ...

Investigación

Neurociencias

Electrode Positioning and Montage in Transcranial Direct Current Stimulation

Colocación de los electrodos y montaje en estimulación transcraneal corriente continua

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

El uso de la espectroscopia de resonancia magnética como herramienta para la medición de Bi-hemisféricos Transcraneal eléctricos Efectos de estimulación sobre la corteza primaria Motor Metabolismo

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

Efectos de la corriente alterna la estimulación transcraneal en la corteza de Motor primaria por Online enfoque combinado con la estimulación magnética transcraneal

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

Protocolo de estimulación magnética transcraneal en línea para la medición de fisiología Cortical asociada con la inhibición de respuesta

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

Estímulo magnético de Transcranial combinado y electroencefalograma (EEG) de la corteza Prefrontal Dorsolateral

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

Navegado de evaluación bilateral de las vías corticoespinales de los músculos del tobillo mediante estimulación magnética transcraneal

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

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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

Aplicación simultánea de estimulación transcraneal de corriente continua durante la exposición a la realidad virtual

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Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) for Memory Enhancement

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