Direction-Specific Effects of Biphasic Transcranial Magnetic Stimulation on Cortical and Cortico-spinal Excitability

Stel je je brein voor als een bruisende stad waar miljarden kleine boodschappers (neuronen) constant briefjes aan het doorgeven zijn om alles draaiende te houden. Soms willen wetenschappers achter het gordijn kijken om te zien hoe deze boodschappers reageren als het een beetje spannend wordt. Hiervoor gebruiken ze een instrument dat Transcraniële Magnetische Stimulatie (TMS) wordt genoemd. Denk aan TMS als een gigantische, onzichtbare magneet die boven het hoofd zweeft. Wanneer deze klikt, creëert het een magnetische puls die door de schedel heen zapt en een klein, onschadelijk schokje geeft aan de hersencellen direct eronder. Het is alsof je op een trommel tikt om te zien hoe de huid trilt, maar in plaats van een trommel tik je op het brein om te zien hoe het "trilt" met elektriciteit.

Meestal gebruiken wetenschappers dit om te controleren of de "motorische" afdeling van het brein correct werkt. Wanneer ze het deel van het brein dat je hand aanstuurt een zapt, kan je hand een rukje geven. Dit rukje wordt een Motor Evoked Potential (MEP) genoemd. Maar hier komt het lastige gedeelte bij: de magneet zapt niet slechts in één richting. De elektriciteit die het creëert kan vooruit of achteruit stromen, zoals een rivier die van stroming verandert. Voor een lange tijd wisten wetenschappers niet geheel zeker of de richting van deze "elektrische rivier" er toe deed. Maakt het uit of de stroom van voor naar achter loopt of van achter naar voor? Verandert het de luidheid van de "trommelslag" van het brein, of de snelheid waarmee het signaal reist? Deze vraag is belangrijk omdat als de richting de reactie van het brein verandert, wetenschappers super voorzichtig moeten zijn met de manier waarop ze hun magnetische wands richten om nauwkeurige resultaten te krijgen.

In dit onderzoek besloten een team van onderzoekers het debat te beslechten door een spelletje "verschil ontdekken" te spelen met de elektriciteit van het brein. Ze nodigden 23 gezonde vrijwilligers uit en gebruikten een hoogtechnologische robotarm om een magnetische spoel perfect stil boven de linkerkant van hun brein te houden – het gebied dat de rechterhand aanstuurt. De robot was cruciaal omdat zelfs een klein wiebelen het experiment zou kunnen verpesten. De onderzoekers zapten het brein met twee verschillende stroomrichtingen: één stromend van voor naar achter (AP-PA) en één van achter naar voor (PA-AP). Ze deden dit op een sterkte die net sterk genoeg was om een rukje in de hand te veroorzaken, specifiek 110% van de "rustmotordrempel" (de minimale kracht die nodig is voor een reactie).

Terwijl het brein werd gezap, registreerde het team twee dingen tegelijkertijd. Eerst bekeken ze de spieren in de hand om de fysieke ruk (de MEP) te zien. Ten tweede gebruikten ze een kap met 64 sensoren om te luisteren naar het elektrische geklets van het brein (de EEG) om de onmiddellijke "gedachte" of reactie binnen de schedel te zien. Ze wilden zien of de richting van de stroom de grootte van de ruk veranderde, hoe snel deze gebeurde, of hoe de elektrische melodie van het brein eruitzag.

De resultaten lieten zien dat de richting van de stroom zeker uitmaakt, maar niet op elke manier. Wanneer de stroom van voor naar achter stroomde (AP-PA), was het brein gemakkelijker wakker te maken: de onderzoekers hadden minder kracht nodig om een ruk in de hand te krijgen, en de ruk gebeurde sneller. Echter, wanneer de stroom van achter naar voor stroomde (PA-AP), was het brein wat koppiger, waarbij meer kracht nodig was en het langer duurde om het signaal naar de hand te sturen. Interessant genoeg veranderde de grootte van de handruk niet veel tussen de twee richtingen; het brein nam gewoon een ander pad om daar te komen.

Het verhaal wordt nog interessanter wanneer men kijkt naar de interne elektrische melodie van het brein. De onderzoekers vonden dat de richting van de stroom specifieke noten in de melodie van het brein veranderde. Bijvoorbeeld, een specifieke hersengolf genaamd de "P60" gebeurde iets eerder wanneer de stroom van achter naar voor stroomde. Een andere golf, de "N100", die wordt geassocieerd met hoe het brein de sensatie van de ruk verwerkt of misschien met een moment van "remmen" of inhibitie, was veel sterker (negatiever) wanneer de stroom van achter naar voor stroomde. Dit suggereert dat de richting van achter naar voor misschien het volume van de interne verwerkings- of inhibitiesystemen van het brein harder zet.

Het team keek ook naar het grote plaatje van de hersenactiviteit door de algehele "luidheid" van het elektrische veld te meten. Ze vonden dat in het midden deel van de reactie van het brein (tussen 51 en 110 milliseconden na de zap), de stroom van achter naar voor een luidere, actievere signaal over het brein creëerde vergeleken met de stroom van voor naar achter.

Ten slotte probeerden de onderzoekers de stippen te verbinden tussen de interne melodie van het brein en de fysieke ruk van de hand. Ze vonden een link: wanneer de handruk groter was, was de "N100" hersengolf ook groter, ongeacht welke richting de stroom had. Er was ook een link tussen de handruk en de "P30" golf, maar alleen wanneer de stroom van voor naar achter stroomde. Dit suggereert dat de interne reactie van het brein en de fysieke beweging van het lichaam met elkaar praten, maar dat het gesprek verandert afhankelijk van hoe de magnetische tik werd geleverd.

Kortom, dit artikel bevestigt dat de richting van de magnetische stroom als een draaiknop werkt die de respons van het brein afstemt. Het zet niet alleen het volume harder of zachter; het verandert de timing en de specifieke noten die het brein speelt. Hoewel de handruk er hetzelfde uit kan zien, is de interne reis van het brein anders. Dit betekent dat voor wetenschappers en artsen die deze technologie gebruiken, het letten op de richting van de stroom essentieel is om precies te begrijpen wat het brein doet. De studie vond niet dat de ene richting "beter" is dan de andere, maar wel dat ze onderscheidende instrumenten zijn die het brein op unieke manieren activeren, en toekomstig onderzoek zal deze richtinggevoeligheid in gedachten moeten houden om betere kaarten van hoe onze hersenen werken te bouwen.