The human brain consists of a huge network of structural linked neurons that enable us to perform higher cognitive functions. In addition to structural connectivity, there is also functional connectivity (FC), a statistical association between time courses of neural activity from different brain regions, that can be measured using functional magnetic resonance imaging (fMRI), even in resting ...
Zusammenfassung (Englisch)
The human brain consists of a huge network of structural linked neurons that enable us to perform higher cognitive functions. In addition to structural connectivity, there is also functional connectivity (FC), a statistical association between time courses of neural activity from different brain regions, that can be measured using functional magnetic resonance imaging (fMRI), even in resting brains. Previous studies have shown that repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is not only able to induce frequency-dependent local alterations in cortical excitability (≤ 1 Hz decrease, > 1 Hz increase), but it can also elicit changes in FC in distant brain regions. We aimed to assess the effect of 1 Hz rTMS applied on left primary motor cortex (M1) on resting-
state FC. To validate the effectiveness of 1 Hz rTMS in attenuating M1 excitability, we utilized motor evoked potentials (MEPs) as an objective readout measure, revealing a significant reduction in the number of MEPs during the initial 11 minutes post-stimulation in a pre-experiment (reference).
In the main experiment 14 participants underwent 30 minutes of 1 Hz rTMS on left M1, framed by a 22-minute resting-state fMRI scan before and after stimulation.
We performed a two-stage analysis: (1) In the seed-based analysis, we investigated rTMS-mediated FC changes between the target area (left M1) and the rest of the brain. This analysis did not reveal any significant effects. (2) In the following whole brain network analysis, we used a dual regression approach to quantify the characteristics of 10 known template networks in our data. Group statistics unveiled a decrease in FC between the cerebellar component and left thalamus during the first 11 minutes
following 1 Hz rTMS.
Interestingly, there exists a structural connection between cerebellum, contralateral thalamus and contralateral motor cortex. This so-called cerebello-thalamo-cortical pathway (or tremor network) is implicated in the development of tremor disorders and is therefore the major target for respective therapeutic interventions. This unexpected anatomical link led us to the following interpretive approach of our results: Previous studies reported changes in FC within this tremor network in tremor patients; hence, the FC change between cerebellum and thalamus we found might be an expression of a compensatory mechanism to the “articifial” tremor induced by rTMS. Further research is required for a potential therapeutic role of rTMS in tremor disorders.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Das menschliche Gehirn besteht aus einem riesigen Netzwerk von strukturell
verbundenen Neuronen, die es uns ermöglichen, höhere kognitive Funktionen
auszuführen. Neben der strukturellen Konnektivität gibt es die funktionelle
Konnektivität (FC), eine statistische Assoziation zwischen Zeitreihen neuronaler Aktivität, die mit funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) gemessen werden kann, ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Das menschliche Gehirn besteht aus einem riesigen Netzwerk von strukturell
verbundenen Neuronen, die es uns ermöglichen, höhere kognitive Funktionen
auszuführen. Neben der strukturellen Konnektivität gibt es die funktionelle
Konnektivität (FC), eine statistische Assoziation zwischen Zeitreihen neuronaler Aktivität, die mit funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) gemessen werden kann, selbst in Gehirnen im Ruhezustand. Frühere Studien haben gezeigt, dass die repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS) nicht nur in der Lage ist, frequenzabhängig lokale Veränderungen der kortikalen Erregbarkeit hervorzurufen (≤ 1 Hz Abnahme, > 1 Hz Zunahme), sondern auch Veränderungen der FC in weiter entfernten Hirnregionen zu bewirken. Unser Ziel war es, die Wirkung von 1 Hz rTMS, appliziert auf den linken primären motorischen Kortex (M1), auf die FC im Ruhezustand zu untersuchen. Um die Wirksamkeit von 1 Hz rTMS auf die Abschwächung der Erregbarkeit von M1 zu validieren, verwendeten wir motorisch evozierte Potenziale (MEPs) als objektive Messparameter, die in einem Vorversuch
(Referenz) eine signifikante Verringerung der Anzahl der MEPs während der ersten 11 Minuten nach der Stimulation zeigten.
Im eigentlichen Experiment untersuchten wir 14 Probanden, von denen jeder
30 Minuten lang mit 1 Hz rTMS über dem linken M1 behandelt wurde, umrahmt von je einem 22-minütigen fMRI-Scan im Ruhezustand vor und nach der Stimulation.
Wir führten eine zweistufige Analyse durch: (1) In der seed-based Analyse
untersuchten wir rTMS-vermittelte FC-Veränderungen zwischen der seed-Region (linker M1) und dem übrigen Gehirn. Diese Analyse ergab keine signifikanten Effekte. (2) In der folgenden Analyse aller Hirnnetzwerke verwendeten wir einen dualen Regressionsansatz, um die Eigenschaften von 10 bekannten Muster-Netzwerken in unseren Daten zu quantifizieren. Die Gruppenstatistik zeigte eine Abnahme der FC zwischen der Kleinhirnkomponente und dem linken Thalamus während der ersten
11 Minuten nach 1 Hz rTMS.
Interessanterweise besteht eine strukturelle Verbindung zwischen Kleinhirn,
kontralateralem Thalamus und kontralateralem motorischen Kortex. Dieser so
genannte cerebello-thalamo-kortikale Nervenstrang (oder Tremor-Netzwerk) ist an der Entstehung von Tremor-Erkrankungen beteiligt und stellt daher den vorwiegenden Angriffspunkt für entsprechende therapeutische Interventionen dar. Dieser unerwartete anatomische Zusammenhang führte uns zu folgendem Interpretationsansatz für unsere Ergebnisse: Frühere Studien berichteten über Veränderungen der FC innerhalb dieses Tremor-Netzwerks bei Tremor-Patienten; die von uns gefundene FC-Veränderung zwischen Kleinhirn und Thalamus könnte daher Ausdruck eines Kompensationsmechanismus für den durch rTMS induzierten „künstlichen“ Tremor sein. Für eine mögliche therapeutische Rolle der rTMS bei Tremor-Erkrankungen ist weitere Forschung unabdinglich.
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