JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Neuroscience

מדידת ושינוי פונקציונלית מסלולים עצביים ספציפיים במערכת המנוע האנושי עם גירוי מגנטי Transcranial

Published: February 23, 2020
doi:
10.3791/60706
, , , ,
1School of Kinesiology, Brain Behavior Laboratory,University of Michigan

Summary

מאמר זה מתאר גישות חדשות כדי למדוד ולחזק מסלולים עצביים ספציפיים מבחינה פונקציונלית עם גירוי transcranial גנטי. מתודולוגיות גירוי מוחי מתקדמות שאינן פולשנית יכולות לספק הזדמנויות חדשות להבנת יחסי המוח-התנהגות ופיתוח של טיפולים חדשים לטיפול בהפרעות במוח.

Abstract

הבנת האינטראקציות בין אזורי המוח חשובה לחקר התנהגות בכוונת המטרה. הדמיה תפקודית פונקציונלית של קישוריות המוח סיפקה תובנות חשובות בתהליכים הבסיסיים של המוח כמו קוגניציה, למידה, ושליטה מוטורית. עם זאת, גישה זו לא יכולה לספק ראיות סיבתי למעורבות של תחומי המוח העניין. גירוי מגנטי Transcranial (TMS) הוא כלי רב עוצמה, לא פולשני לחקר המוח האנושי שיכול להתגבר על מגבלה זו על ידי שינוי משני של פעילות המוח. כאן, אנו להדגיש את ההתקדמות האחרונה באמצעות מזווג פולס, TMS שיטה כפולה באתר עם שני סלילים כי causally בדיקה קורטיקו-קורטיקלית במערכת המנוע האנושי במהלך הקשרי משימה שונים. בנוסף, אנו מתארים פרוטוקול TMS באתר כפול המבוסס על גירוי אסוציאטיבי לזווג (cPAS) זה מגביר את יעילות הסינפטיות בשני אזורי מוח מחוברים על ידי החלת זוגות חוזרים ונשנים של גירויים קורטיקלית עם שני סלילים. שיטות אלה יכולות לספק הבנה טובה יותר של המנגנון הבסיסי מנוע קוגניטיבי פונקציה כמו גם פרספקטיבה חדשה על מניפולציה מסלולים עצביים ספציפיים באופן ממוקד כדי לווסת את מעגלי המוח ולשפר את ההתנהגות. גישה זו עשויה להיות כלי יעיל כדי לפתח דגמים מתוחכמים יותר של יחסי המוח התנהגות ולשפר את האבחנה וטיפול של הפרעות נוירולוגיות ופסיכיאטריות רבות.

Introduction

גירוי מוחי לא פולשני הוא כלי הערכה מבטיח וטיפול בהפרעות נוירולוגיות רבות, כגון מחלת פרקינסון, מחלת אלצהיימר, ושבץ1,2,3,4. יש לצבור ראיות הקמת היחסים בין הביטויים ההתנהגותית של מחלות נוירולוגיות וחריגות של כושר ההתנהגות של קליפת המוח, נוירופלבוליות, קורטיקו-קורטיקלית וקורטיקו-קישוריות משנית5,6. לכן, ידע בסיסי על דינמיקה ברשת המוח ופלסטיות בתנאים נוירולוגיים יכול לספק תובנה לא יסולא בפז לאבחון מחלות, התקדמות, ותגובה לטיפול. תהודה מגנטית פונקציונלית הדמיה (fMRI) הוא כלי שימושי כדי להבין את היחסים המורכבים בין המוח וההתנהגות ברשתות מוח בריאים וחולים ויש לו את הפוטנציאל לשפר את הטיפול בהתבסס על הפרספקטיבה ברשת7,8,9. עם זאת , ה-MRI הוא correlational בטבע לא יכול לספק קשר סיבתי בין תפקוד המוח להתנהגות, או לתמרן קישוריות תפקודית לשחזר מעגלים עצביים חריגים הקשורים ליקויים התנהגותיים בחולים10,11,12. Transcranial מגנטית גירוי (TMS) יכול שניהם causally למדוד ולווסת את תפקוד המוח האנושי ואת ההתנהגות בריאות ומחלות3,13,14,15.

TMS היא שיטה בטוחה ולא פולשנית כדי לעורר את המוח האנושי16,17וניתן להשתמש בה כדי לזרז ולמדוד פלסטיות18. שיטה זו יכולה לקדם את הבנתנו את היחסים הסיבתי בין אזורי מוח בודדים והתנהגות10,11,12,19והאינטראקציות הפונקציונליות הספציפיות שלהם עם צמתים אחרים של רשת המוח20,21,22,23. עד היום, רוב המחקרים התמקדו מערכת המנוע האנושי, בהינתן כי TMS לאזור היד של קליפת המנוע (M1) יכול לייצר מנוע מעורר פוטנציאל (MEPs) כמו קריאות פיסיולוגיים עבור שינויים הקשורים התנהגות מוטורית24, המאפשר בחינה של מעגלים מעכבות והמשך שונים ברמת המערכת במוח האנושי25. ההתפתחויות האחרונות באמצעות מבחן מיזוג גישה TMS עם שני סלילים להראות כי ניתן למדוד אינטראקציות פונקציונלי בין אזורים קורטיקליים שונים. במערכת מוטורית, ניסויים TMS באתר כפול להראות כי תשומות מאזורים קורטיקליים מחוברים עם M1 יכול לשנות עם דרישות המשימה, גיל, או מחלה14,26. העבודה הזרע על ידי Ferbert ועמיתיו מצאו כי החלת גירוי מיזוג ל-M1 לפני גירוי מבחן של M1 אחרים יכול לגרום לעיכוב של משרעת MEP, תופעה המכונה עיכוב מרווח זמן קצר הבין (SIHI)28. מספר מחקרים TMS באמצעות גישה זו הראו גם כי M1 הוא באופן מאוד מחובר עם M1 הצלעות, מנוע טרום הגייתי (PMv), קליפת המוח הקדם מוטוריים (Pmv), אזור המנוע המשלים (SMA), pre-SMA, קליפת החושים העיקרית (S1), המוח האחורי (DLSOLI), וקליפת הקודקוד הקדמית (PPC) במנוחה27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42. מעניין, ההשפעה של גירוי מהאזורים האלה בקליפת המוח על היכולת המוטורית התנועתית מבחינה אנטומית, באופן זמני, ומבחינה פונקציונלית ספציפיים הפעילות המוחית מתמשכת במהלך הכנת תנועה (המדינה-ותלוי הקשר43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69). עם זאת, מחקרים מעטים מאוד באמצעות TMS באתר כפול יש לאפיין דפוסים של קישוריות קורטיקו פונקציונלית-קורטיקלית עם ליקויים מוטוריים וקוגניטיביים בחולים עם הפרעות במוח70,71,72. הדבר מעניק הזדמנויות לפיתוח שיטות חדשות להערכת וטיפול בהפרעות מוטוריות וקוגניטיביות.

באמצעות טכניקה זו, הוא גם נמצא כי זוגות חוזרים של קליפת המוח TMS להחיל אזורים קורטיקליים מחוברים עם m1 כגון68m1,69,70, pmv76,77,78, SMA71, ו PPC80,81,82 יכול לגרום לשינויים ביעילות סינפטית במסלולים עצביים ספציפיים מבוסס על העיקרון hebbian של הפלסטיות האסוציאטיבית83 ,84,85,86 ולשפר את ביצועי ההתנהגות72,73,74. עדיין, מחקרים מעטים השתמשו בגישה זו כדי לחקור את המעגל ותפקוד הפלסטיות בהפרעות נוירולוגיות2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90, 91,92, 93,94,95,96. זה נשאר להיות מוצג אם חיזוק מסלולים עצביים ספציפיים ספציפי עם TMS יכול לשחזר את הפעילות במעגלים לקוי, או אם חיזוק פוטנציאלי של מעגלים שלמים יכול להגדיל את העמידות97 ברשתות המוח התומכות תפקוד מוטורי וקוגניטיבי על פני תוחלת החיים ומחלות. חוסר ההבנה הבסיסית של המנגנונים העצביים המשמשים להפרעות נוירולוגיות ולהשפעות של גירוי ברשתות המוח הקיימות ביניהם מגביל את הטיפול הנוכחי.

למרות יכולתו, TMS עדיין להפוך לחלק רגיל של הארמנטיום של כלים מדעי המוח והקליני להבנת יחסי מוחי התנהגות, פתופסיולוגיה של הפרעות במוח, ואת האפקטיביות של הטיפול. לכן, כדי להגשים את הפוטנציאל שלה ולתמוך היישום הגדול שלה, סטנדרטיזציה שיטות TMS חשוב כי זה יותר סביר כדי להגביר את הקשיחות של ניסויים TMS עתידיים והקפדה על פני מעבדות עצמאיות. מאמר זה מתאר כיצד TMS יכול לשמש למדידה ולטיפול באינטראקציות פונקציונליות. כאן, אנו מתארים את הטכניקה הזאת במערכת המנוע (g., parieto-מנוע מסלול44) על ידי מדידת אמצעי פלט TMS מבוססי (למשל, meps), שם השיטה היא היטב היטב. עם זאת, חשוב לציין כי פרוטוקול זה גם יכול להיות מותאם היעד צימוד פונקציונלי של אחרים subcortical85, המוח86,87, ואזורים קורטיקלית. 73,74,88 בנוסף, טכניקות דימות מוחי כגוןEEG 89,90,91 ו fMRI92,93 ניתן להשתמש כדי להעריך את השינויים המושרה TMS בפעילות וקישוריות26,94. אנו להסיק על ידי הצעת כי המחקר של מעורבות תפקודית של קישוריות ברמה מעגל המוח עם שיטות אלה TMS בריאות ומחלות מאפשר לפתח ממוקדות אבחונים וטיפולים חדשניים מבוסס על מודלים רשת מתוחכמים יותר של יחסי המוח התנהגות.

Protocol

שלוש השיטות הבאות של TMS מתוארות להלן. ראשית, שתי שיטות מתוארות כדי למדוד קישוריות קורטיקו-קורטיקלית באמצעות גירוי מגנטי transcranial באתר כפול (dsTMS) בעוד המשתתפים הם 1) במנוחה (מצב מנוחה) או 2) ביצוע התנועה בבימויו של אובייקט הגעה לתפוס ( תלוי-משימה). שנית, השיטה מתוארת לווסת את הגומלין בין שני אזורי ?…

Representative Results

איור 5 מראה את הגודל של תגובה mep מופק הנובעת השריר FDI ידי TMS עבור גירוי בדיקה בלתי ממוזג (TS לבד M1, סימן כחול) או גירויים ממוזג מ PPC (CS-TS, סימן אדום) בעוד המשתתף היה במנוחה (הפאנל העליון) או תכנון המטרה מכוונת פעולה אוחז לאובייקט (הפאנל התחתון) במנוחה, PPC משפיע על השפעה מעכבות על הפחת…

Discussion

השיטה TMS באתר כפול המתואר כאן יכול להיות מועסק כדי לחקור אינטראקציות פונקציונליות בין אזורים קורטיקליים שונים המחוברים עם קליפת המנוע העיקרית בעוד משתתף במנוחה או תכנון פעולה מכוונת המטרה. בעוד הדמיה של המוח הוא המתאמת, הידע הבסיסי של שיטות TMS באתר כפול יכול לחשוף יחסי המוח הסיבתי התנהגות…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו היתה נתמכת על ידי אוניברסיטת מישיגן: מהקוביות מדענים ובית הספר של קיסיולוגיה.

Materials

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

References

  1. Ni, Z., Chen, R. Transcranial magnetic stimulation to understand pathophysiology and as potential treatment for neurodegenerative diseases. Translational Neurodegeneration. 4 (1), 1-12 (2015).
  2. Koch, G., Martorana, A., Caltagirone, C. Transcranial magnetic stimulation_ Emerging biomarkers and novel therapeutics in Alzheimer’s disease. Neuroscience Letters. 134355, (2019).
  3. Hallett, M., et al. Contribution of transcranial magnetic stimulation to assessment of brain connectivity and networks. Clinical Neurophysiology. 128 (11), 2125-2139 (2017).
  4. Hummel, F. C., Cohen, L. G. Non-invasive brain stimulation: a new strategy to improve neurorehabilitation after stroke. The Lancet Neurology. 5 (8), 708-712 (2006).
  5. Caligiore, D., et al. Parkinson’s disease as a system-level disorder. Nature Publishing Group. 2 (1), 1-9 (2016).
  6. Grefkes, C., Fink, G. R. Reorganization of cerebral networks after stroke: new insights from neuroimaging with connectivity approaches. Brain. 134 (5), 1264-1276 (2011).
  7. Calhoun, V. D., Miller, R., Pearlson, G., Adalı, T. The Chronnectome: Time-Varying Connectivity Networks as the Next Frontier in fMRI Data Discovery. Neuron. 84 (2), 262-274 (2014).
  8. Fox, M. D., et al. Resting-state networks link invasive and noninvasive brain stimulation across diverse psychiatric and neurological diseases. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (41), 4367-4375 (2014).
  9. Fox, M. D., Halko, M. A., Eldaief, M. C., Pascual-Leone, A. Measuring and manipulating brain connectivity with resting state functional connectivity magnetic resonance imaging (fcMRI) and transcranial magnetic stimulation (TMS). NeuroImage. 62 (4), 2232-2243 (2012).
  10. Pascual-Leone, A., Walsh, V., Rothwell, J. Transcranial magnetic stimulation in cognitive neuroscience–virtual lesion, chronometry, and functional connectivity. Current Opinion in Neurobiology. 10 (2), 232-237 (2000).
  11. Pascual-Leone, A., Bartres-Faz, D., Keenan, J. P. Transcranial magnetic stimulation: studying the brain-behaviour relationship by induction of “virtual lesions”. Philosophical transactions of the Royal Society of London Series B, Biological Sciences. 354 (1387), 1229-1238 (1999).
  12. Bolognini, N., Ro, T. Transcranial magnetic stimulation: disrupting neural activity to alter and assess brain function. The Journal of Neuroscience. 30 (29), 9647-9650 (2010).
  13. Rothwell, J. C. Using transcranial magnetic stimulation methods to probe connectivity between motor areas of the brain. Human Movement Science. 30 (5), 906-915 (2010).
  14. Lafleur, L. P., Tremblay, S., Whittingstall, K., Lepage, J. F. Assessment of Effective Connectivity and Plasticity With Dual-Coil Transcranial Magnetic Stimulation. Brain Stimulation. 9 (3), 347-355 (2016).
  15. Chouinard, P. A., Paus, T. What have We Learned from “Perturbing” the Human Cortical Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation. Frontiers in Human Neuroscience. 4, 173 (2010).
  16. Chen, R. Studies of human motor physiology with transcranial magnetic stimulation. Muscle & Nerve. 23 (S9), 26-32 (2000).
  17. Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation and the human brain. Nature. 406 (6792), 147-150 (2000).
  18. Chen, R., Udupa, K. Measurement and modulation of plasticity of the motor system in humans using transcranial magnetic stimulation. Motor Control. 13 (4), 442-453 (2009).
  19. Walsh, V., Rushworth, M. A primer of magnetic stimulation as a tool for neuropsychology. Neuropsychologia. 37 (2), 125-135 (1999).
  20. Bestmann, S., et al. Mapping causal interregional influences with concurrent TMS-fMRI. Experimental Brain Research. 191 (4), 383-402 (2008).
  21. Siebner, H. R., Hartwigsen, G., Kassuba, T., Rothwell, J. C. How does transcranial magnetic stimulation modify neuronal activity in the brain? Implications for studies of cognition. Cortex. 45 (9), 1035-1042 (2009).
  22. Dayan, E., Censor, N., Buch, E. R., Sandrini, M., Cohen, L. G. Noninvasive brain stimulation: from physiology to network dynamics and back. Nature Publishing Group. 16 (7), 838-844 (2013).
  23. Sack, A. T. Transcranial magnetic stimulation, causal structure-function mapping and networks of functional relevance. Current Opinion in Neurobiology. 16 (5), 593-599 (2006).
  24. Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Experimental Brain Research. 233 (3), 679-689 (2015).
  25. Vesia, M., Davare, M. Decoding Action Intentions in Parietofrontal Circuits. Journal of Neuroscience. 31 (46), 16491-16493 (2011).
  26. Cantarero, G., Celnik, P. Applications of TMS to Study Brain Connectivity. Brain Stimulation: Methodologies and Interventions. , 191-211 (2015).
  27. Ni, Z., et al. Two Phases of Interhemispheric Inhibition between Motor Related Cortical Areas and the Primary Motor Cortex in Human. Cerebral Cortex. 19 (7), 1654-1665 (2009).
  28. Ferbert, A., et al. Interhemispheric inhibition of the human motor cortex. The Journal of Physiology. 453, 525-546 (1992).
  29. Bäumer, T., et al. Inhibitory and facilitatory connectivity from ventral premotor to primary motor cortex in healthy humans at rest – A bifocal TMS study. Clinical Neurophysiology. 120 (9), 1724-1731 (2009).
  30. Koch, G., et al. Asymmetry of Parietal Interhemispheric Connections in Humans. Journal of Neuroscience. 31 (24), 8967-8975 (2011).
  31. Koch, G., et al. Focal stimulation of the posterior parietal cortex increases the excitability of the ipsilateral motor cortex. The Journal of Neuroscience. 27 (25), 6815-6822 (2007).
  32. Koch, G., et al. Interactions between pairs of transcranial magnetic stimuli over the human left dorsal premotor cortex differ from those seen in primary motor cortex. The Journal of Physiology. 578 (2), 551-562 (2007).
  33. Koch, G., et al. TMS activation of interhemispheric pathways between the posterior parietal cortex and the contralateral motor cortex. The Journal of Physiology. 587, 4281-4292 (2009).
  34. Ziluk, A., Premji, A., Nelson, A. J. Functional connectivity from area 5 to primary motor cortex via paired-pulse transcranial magnetic stimulation. Neuroscience Letters. 484 (1), 81-85 (2010).
  35. Karabanov, A. N., Chao, C. C., Paine, R., Hallett, M. Mapping different intra-hemispheric parietal-motor networks using twin coil TMS. Brain Stimulation. 6 (3), 384-389 (2012).
  36. Mochizuki, H., Huang, Y. Z., Rothwell, J. C. Interhemispheric interaction between human dorsal premotor and contralateral primary motor cortex. The Journal of Physiology. 561, 331-338 (2004).
  37. Civardi, C., Cantello, R., Asselman, P., Rothwell, J. C. Transcranial Magnetic Stimulation Can Be Used to Test Connections to Primary Motor Areas from Frontal and Medial Cortex in Humans. NeuroImage. 14 (6), 1444-1453 (2001).
  38. Groppa, S., et al. The human dorsal premotor cortex facilitates the excitability of ipsilateral primary motor cortex via a short latency cortico-cortical route. Human Brain Mapping. 33 (2), 419-430 (2011).
  39. Shirota, Y., et al. Increased primary motor cortical excitability by a single-pulse transcranial magnetic stimulation over the supplementary motor area. Experimental Brain Research. 219 (3), 339-349 (2012).
  40. Cattaneo, L., Barchiesi, G. Transcranial Magnetic Mapping of the Short-Latency Modulations of Corticospinal Activity from the Ipsilateral Hemisphere during Rest. Frontiers in Neural Circuits. 5, 14 (2011).
  41. Brown, M. J. N., et al. Somatosensory-motor cortex interactions measured using dual-site transcranial magnetic stimulation. Brain Stimulation. 12 (5), 1229-1243 (2019).
  42. Brown, M. J. N., Goldenkoff, E. R., Chen, R., Gunraj, C., Vesia, M. Using Dual-Site Transcranial Magnetic Stimulation to Probe Connectivity between the Dorsolateral Prefrontal Cortex and Ipsilateral Primary Motor Cortex in Humans. Brain Sciences. 9 (8), 177 (2019).
  43. Vesia, M., et al. Functional interaction between human dorsal premotor cortex and the ipsilateral primary motor cortex for grasp plans. Neuroreport. 29, 1355-1359 (2018).
  44. Vesia, M., et al. Human dorsomedial parieto-motor circuit specifies grasp during the planning of goal-directed hand actions. Cortex. 92, 175-186 (2017).
  45. Vesia, M., Bolton, D. A., Mochizuki, G., Staines, W. R. Human parietal and primary motor cortical interactions are selectively modulated during the transport and grip formation of goal-directed hand actions. Neuropsychologia. 51 (3), 410-417 (2013).
  46. Davare, M., Kraskov, A., Rothwell, J. C., Lemon, R. N. Interactions between areas of the cortical grasping network. Current Opinion in Neurobiology. 21 (4), 565-570 (2011).
  47. Davare, M., Rothwell, J. C., Lemon, R. N. Causal connectivity between the human anterior intraparietal area and premotor cortex during grasp. Current Biology. 20 (2), 176-181 (2010).
  48. Davare, M., Lemon, R., Olivier, E. Selective modulation of interactions between ventral premotor cortex and primary motor cortex during precision grasping in humans. The Journal of Physiology. 586, 2735-2742 (2008).
  49. Davare, M., Montague, K., Olivier, E., Rothwell, J. C., Lemon, R. N. Ventral premotor to primary motor cortical interactions during object-driven grasp in humans. Cortex. 45 (9), 1050-1057 (2009).
  50. Schintu, S., et al. Paired-Pulse Parietal-Motor Stimulation Differentially Modulates Corticospinal Excitability across Hemispheres When Combined with Prism Adaptation. Neural Plasticity. 2016 (4-6), 1-9 (2016).
  51. Isayama, R., et al. Rubber hand illusion modulates the influences of somatosensory and parietal inputs to the motor cortex. Journal of Neurophysiology. 121 (2), 563-573 (2019).
  52. Karabanov, A., et al. Timing-dependent modulation of the posterior parietal cortex-primary motor cortex pathway by sensorimotor training. Journal of Neurophysiology. 107 (11), 3190-3199 (2012).
  53. Picazio, S., et al. Prefrontal Control over Motor Cortex Cycles at Beta Frequency during Movement Inhibition. Current Biology. 24 (24), 2940-2945 (2014).
  54. Mackenzie, T. N., et al. Human area 5 modulates corticospinal output during movement preparation. Neuroreport. 27 (14), 1056-1060 (2016).
  55. Groppa, S., et al. A novel dual-site transcranial magnetic stimulation paradigm to probe fast facilitatory inputs from ipsilateral dorsal premotor cortex to primary motor cortex. NeuroImage. 62 (1), 500-509 (2012).
  56. O’Shea, J., Sebastian, C., Boorman, E. D., Johansen-Berg, H., Rushworth, M. F. S. Functional specificity of human premotor-motor cortical interactions during action selection. The European Journal of Neuroscience. 26 (7), 2085-2095 (2007).
  57. Mars, R. B., et al. Short-latency influence of medial frontal cortex on primary motor cortex during action selection under conflict. The Journal of Neuroscience. 29 (21), 6926-6931 (2009).
  58. Hasan, A., et al. Muscle and timing-specific functional connectivity between the dorsolateral prefrontal cortex and the primary motor cortex. Journal of Cognitive Neuroscience. 25 (4), 558-570 (2013).
  59. Fujiyama, H., et al. Age-Related Changes in Frontal Network Structural and Functional Connectivity in Relation to Bimanual Movement Control. The Journal of Neuroscience. 36 (6), 1808-1822 (2016).
  60. Koch, G., et al. Functional Interplay between Posterior Parietal and Ipsilateral Motor Cortex Revealed by Twin-Coil Transcranial Magnetic Stimulation during Reach Planning toward Contralateral Space. The Journal of Neuroscience. 28 (23), 5944-5953 (2008).
  61. Koch, G., et al. In vivo definition of parieto-motor connections involved in planning of grasping movements. NeuroImage. 51 (1), 300-312 (2010).
  62. Koch, G., et al. Resonance of cortico-cortical connections of the motor system with the observation of goal directed grasping movements. Neuropsychologia. 48 (12), 3513-3520 (2010).
  63. Koch, G., et al. Time course of functional connectivity between dorsal premotor and contralateral motor cortex during movement selection. The Journal of Neuroscience. 26 (28), 7452-7459 (2006).
  64. Koch, G., Rothwell, J. C. TMS investigations into the task-dependent functional interplay between human posterior parietal and motor cortex. Behavioural Brain Research. 202 (2), 147-152 (2009).
  65. Lago, A., et al. Ventral premotor to primary motor cortical interactions during noxious and naturalistic action observation. Neuropsychologia. 48 (6), 1802-1806 (2010).
  66. Picazio, S., Ponzo, V., Koch, G. Cerebellar Control on Prefrontal-Motor Connectivity During Movement Inhibition. The Cerebellum. 15 (6), 680-687 (2015).
  67. Byblow, W. D., et al. Functional Connectivity Between Secondary and Primary Motor Areas Underlying Hand-Foot Coordination. Journal of Neurophysiology. 98 (1), 414-422 (2007).
  68. Rizzo, V., et al. Associative cortico-cortical plasticity may affect ipsilateral finger opposition movements. Behavioural Brain Research. 216 (1), 433-439 (2011).
  69. Rizzo, V., et al. Paired Associative Stimulation of Left and Right Human Motor Cortex Shapes Interhemispheric Motor Inhibition based on a Hebbian Mechanism. Cerebral Cortex. 19 (4), 907-915 (2009).
  70. Koganemaru, S., et al. Human motor associative plasticity induced by paired bihemispheric stimulation. The Journal of Physiology. 587 (19), 4629-4644 (2009).
  71. Arai, N., et al. State-dependent and timing-dependent bidirectional associative plasticity in the human SMA-M1 network. Journal of Neuroscience. 31 (43), 15376-15383 (2011).
  72. Fiori, F., Chiappini, E., Avenanti, A. Enhanced action performance following TMS manipulation of associative plasticity in ventral premotor-motor pathway. NeuroImage. 183, 847-858 (2018).
  73. Chiappini, E., Silvanto, J., Hibbard, P. B., Avenanti, A., Romei, V. Strengthening functionally specific neural pathways with transcranial brain stimulation. Current Biology. 28 (13), 735-736 (2018).
  74. Romei, V., Chiappini, E., Hibbard, P. B., Avenanti, A. Empowering Reentrant Projections from V5 to V1 Boosts Sensitivity to Motion. Current Biology. 26 (16), 2155-2160 (2016).
  75. Zittel, S., et al. Effects of dopaminergic treatment on functional cortico-cortical connectivity in Parkinson’s disease. Experimental Brain Research. 233 (1), 329-337 (2014).
  76. Nelson, A. J., Hoque, T., Gunraj, C., Ni, Z., Chen, R. Impaired interhemispheric inhibition in writer’s cramp. Neurology. 75 (5), 441-447 (2010).
  77. Murase, N., Duque, J., Mazzocchio, R., Cohen, L. G. Influence of interhemispheric interactions on motor function in chronic stroke. Annals of Neurology. 55 (3), 400-409 (2004).
  78. Bonnì, S., et al. Altered Parietal-Motor Connections in Alzheimer’s Disease Patients. Journal of Alzheimer’s Disease. 33 (2), 525-533 (2012).
  79. Koch, G., et al. Altered dorsal premotor-motor interhemispheric pathway activity in focal arm dystonia. Movement Disorders. 23 (5), 660-668 (2008).
  80. Koch, G., et al. Hyperexcitability of parietal-motor functional connections in the intact left-hemisphere of patients with neglect. Brain. 131, 3147-3155 (2008).
  81. Di Lorenzo, F., et al. Long-term potentiation-like cortical plasticity is disrupted in Alzheimer’s disease patients independently from age of onset. Annals of Neurology. 80 (2), 202-210 (2016).
  82. Ponzo, V., et al. Altered inhibitory interaction among inferior frontal and motor cortex in l-dopa-induced dyskinesias. Movement Disorders. 31 (5), 755-759 (2016).
  83. Koch, G., et al. Effect of Cerebellar Stimulation on Gait and Balance Recovery in Patients With Hemiparetic Stroke. JAMA Neurology. 76 (2), 170-178 (2018).
  84. Palomar, F. J., et al. Parieto-motor functional connectivity is impaired in Parkinson’s disease. Brain Stimulation. 6 (2), 147-154 (2013).
  85. Udupa, K., et al. Cortical Plasticity Induction by Pairing Subthalamic Nucleus Deep-Brain Stimulation and Primary Motor Cortical Transcranial Magnetic Stimulation in Parkinson’s Disease. The Journal of Neuroscience. 36 (2), 396-404 (2016).
  86. Ugawa, Y., Uesaka, Y., Terao, Y., Hanajima, R., Kanazawa, I. Magnetic stimulation over the cerebellum in humans. Annals of Neurology. 37 (6), 703-713 (1995).
  87. Pinto, A. D., Chen, R. Suppression of the motor cortex by magnetic stimulation of the cerebellum. Experimental Brain Research. 140 (4), 505-510 (2001).
  88. Kohl, S., et al. Cortical Paired Associative Stimulation Influences Response Inhibition Cortico-cortical and Cortico-subcortical Networks. Biological Psychiatry. 85 (4), 355-363 (2019).
  89. Casula, E. P., Pellicciari, M. C., Picazio, S., Caltagirone, C., Koch, G. Spike-timing-dependent plasticity in the human dorso-lateral prefrontal cortex. NeuroImage. 143, 204-213 (2016).
  90. Veniero, D., Ponzo, V., Koch, G. Paired Associative Stimulation Enforces the Communication between Interconnected Areas. Journal of Neuroscience. 33 (34), 13773-13783 (2013).
  91. Tremblay, S., et al. Clinical utility and prospective of TMS-EEG. Clinical Neurophysiology. 130 (5), 802-844 (2019).
  92. Johnen, V. M., Neubert, F. X., Buch, E. R., Verhagen, L. Causal manipulation of functional connectivity in a specific neural pathway during behaviour and at rest. eLife. 4, 04585 (2015).
  93. Santarnecchi, E., et al. Modulation of network-to-network connectivity via spike-timing-dependent noninvasive brain stimulation. Human Brain Mapping. 39 (12), 4870-4883 (2018).
  94. Bergmann, T. O., Karabanov, A., Hartwigsen, G., Thielscher, A., Siebner, H. R. Combining non-invasive transcranial brain stimulation with neuroimaging and electrophysiology: Current approaches and future perspectives. NeuroImage. 140, 4-19 (2016).
  95. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Screening questionnaire before TMS: An update. Clinical Neurophysiology. 122 (8), 1686 (2011).
  96. Keel, J. C., Smith, M. J., Wassermann, E. M. A safety screening questionnaire for transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 112 (4), 720 (2001).
  97. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord and roots: basic principles and procedures for routine clinical application. Report of an IFCN committee. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 91 (2), 79-92 (1994).
  98. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  99. Wassermann, E. M. Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation: report and suggested guidelines from the International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 108 (1), 1-16 (1998).
  100. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety of TMS Consensus Group. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clinical Neurophysiology. 120 (12), 2008-2039 (2009).
  101. Oldfield, R. C. The assessment and analysis of handedness: the Edinburgh inventory. Neuropsychologia. 9 (1), 97-113 (1971).
  102. Villamar, M. F., et al. Technique and Considerations in the Use of 4×1 Ring High-definition Transcranial Direct Current Stimulation (HD-tDCS). Journal of Visualized Experiments. (77), e50309 (2013).
  103. Sack, A. T., et al. Optimizing functional accuracy of TMS in cognitive studies: a comparison of methods. Journal of Cognitive Neuroscience. 21 (2), 207-221 (2009).
  104. Yousry, T. A., et al. Localization of the motor hand area to a knob on the precentral gyrus. A new landmark. Brain. 120, 141-157 (1997).
  105. Groppa, S., et al. A practical guide to diagnostic transcranial magnetic stimulation: Report of an IFCN committee. Clinical Neurophysiology. 123 (5), 858-882 (2012).
  106. Cattaneo, L., et al. A cortico-cortical mechanism mediating object-driven grasp in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (3), 898-903 (2005).
  107. Hebb, D. O. . The organization of behavior: A neurophysiological approach. , (1949).
  108. Caporale, N., Dan, Y. Spike Timing-Dependent Plasticity: A Hebbian Learning Rule. Annual Review of Neuroscience. 31 (1), 25-46 (2008).
  109. Markram, H., Lübke, J., Frotscher, M., Sakmann, B. Regulation of synaptic efficacy by coincidence of postsynaptic APs and EPSPs. Science. 275 (5297), 213-215 (1997).
  110. Jackson, A., Mavoori, J., Fetz, E. E. Long-term motor cortex plasticity induced by an electronic neural implant. Nature. 444 (7115), 56-60 (2006).
  111. Koch, G., Ponzo, V., Di Lorenzo, F., Caltagirone, C., Veniero, D. Hebbian and Anti-Hebbian Spike-Timing-Dependent Plasticity of Human Cortico-Cortical Connections. Journal of Neuroscience. 33 (23), 9725-9733 (2013).
  112. Romei, V., Thut, G., Silvanto, J. Information-Based Approaches of Noninvasive Transcranial Brain Stimulation. Trends in Neurosciences. 39 (11), 782-795 (2016).
  113. Carson, R. G., et al. Excitability changes in human forearm corticospinal projections and spinal reflex pathways during rhythmic voluntary movement of the opposite limb. The Journal of Physiology. 560, 929-940 (2004).

Tags

Transcranial Magnetic StimulationTMSNon-invasive Brain StimulationMotor SystemBrain CircuitsBrain ExcitabilityBrain ConnectivityNeurological DisordersPsychiatric DisordersMotor CortexM1NeuronavigationEMGElectromyographyPrecentral Gyrus
check_url/60706?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Goldenkoff, E. R., Mashni, A., Michon, K. J., Lavis, H., Vesia, M. Measuring and Manipulating Functionally Specific Neural Pathways in the Human Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation. J. Vis. Exp. (156), e60706, doi:10.3791/60706 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image