Repetitive suprathreshold paired-pulse transcranial magnetic stimulation alters corticospinal excitability

Het menselijk brein is geen statische machine; het is een levend, verschuivend landschap waar verbindingen tussen zenuwcellen sterker of zwakker kunnen worden afhankelijk van activiteit. Dit vermogen om te veranderen, bekend als neuroplasticiteit, vormt de basis van leren en geheugen. Wetenschappers zoeken al lang naar manieren om deze verbindingen voorzichtig te stimuleren, in de hoop te begrijpen hoe het brein zich aanpast of om het te helpen herstellen van letsel. Een hulpmiddel dat wordt gebruikt om dit te verkennen, is een techniek genaamd transcraniële magnetische stimulatie, waarbij een magnetische spoel tegen de hoofdhuid wordt geplaatst om een korte, pijnloze energiepuls in het brein te sturen. Wanneer deze puls de motorische cortex raakt — het gebied dat beweging aanstuurt — kan dit een kleine spiertrek in de hand veroorzaken, die onderzoekers meten om te zien hoe "prikkelbaar" de paden in het brein op dat moment zijn. Door deze pulsen in specifieke patronen te sturen, zoals paren pulsen met een kleine tussenruimte, kunnen wetenschappers verschillende interne circuits binnen het brein targeten. Sommige van deze circuits werken als remmen, die de activiteit vertragen, terwijl andere werken als versnellers, die de activiteit verhogen. De grote vraag is geweest of deze korte bursts van stimulatie meer kunnen doen dan alleen de huidige staat van het brein meten; kunnen ze het daadwerkelijk herbedraden, waardoor een blijvende verandering achterblijft die voortduurt lang nadat het apparaat is uitgeschakeld?

Een team van onderzoekers zette een experiment op om dit te testen door een specif kind type gepaardgestelde pulsstimulatie toe te passen op de motorische cortex van gezonde vrijwilligers. Ze ontwierpen drie verschillende scenario's om te zien hoe het brein reageerde. In één scenario leverden ze paren pulsen met een zeer korte tussenruimte, een timing die bekend staat als het targeten van de "versnellings"-circuits van het brein en het stimuleren van excitatie. In een ander scenario gebruikten ze een langere tussenruimte tussen de paren, een timing die ontworpen is om de "remmen" van het brein, of inhibitoire circuits, te targeten. Het derde scenario diende als controle, waarbij enkelvoudige pulsen werden gebruikt in plaats van paren. De onderzoekers wilden zien of het brein prikkelbaarder zou worden tijdens de stimulatie en, belangrijker nog, of die veranderingen zouden blijven bestaan gedurende minuten of zelfs uren daarna. Ze verwachtten dat het stimuleren van de versnellingscircuits zou leiden tot een blijvende boost in hersenactiviteit, vergelijkbaar met hoe lichaamsbeweging een spier versterkt.

De resultaten vertelden echter een ander verhaal dan de onderzoekers hadden voorspeld. Wanneer ze de versnellingscircuits stimuleerden met de korte tussenruimte, vertoonde het brein niet de verwachte blijvende boost in activiteit. Sterker nog, de stimulatie van deze excitatieve circuits produceerde geen enkele significante verandering die langer dan de sessie duurde. De controlegroep die enkelvoudige pulsen ontving, vertoonde ook geen blijvende effecten. De verrassing kwam van de derde groep, de groep die de langere tussenruimte tussen de pulsen kreeg. In plaats van geen effect te hebben, veroorzaakte deze stimulatie, die ontworpen was om de inhibitoire "remmen" van het brein te targeten, een significante en blijvende vermindering van de hersenprikkelbaarheid. De gemeten spierreacties na de sessie waren kleiner dan daarvoor, en dit dempende effect hield tot wel veertig minuten aan. Dit gebeurde zelfs terwijl de stimulatiesessie zelf vrij kort was, bestaande uit slechts veertig paren pulsen geleverd over slechts enkele minuten.

De studie keek ook naar wat er gebeurde terwijl de stimulatie daadwerkelijk werd toegediend. De onderzoekers ontdekten dat de respons van het brein in realtime veranderde tijdens de sessie, maar dat deze onmiddellijke veranderingen niet voorspelden wat er daarna zou gebeuren. Voor de groep met de lange tussenruimte tussen de pulsen werd de reactie van het brein gedurende de sessie zelfs zwakker, en deze verzwakking zette nog lang na de sessie voort. Voor de andere groepen vertaalden de onmiddellijke veranderingen tijdens de sessie zich niet in een blijvend effect. Dit suggereert dat het vermogen van het brein om te veranderen geen eenvoudige kwestie is van het harder zetten van het volume van de opwinding; het is een complex proces waarbij verschillende timingpatronen verschillende mechanismen triggeren. Het feit dat een korte burst van stimulatie gericht op de inhibitoire circuits een dergelijk duurzaam effect kon produceren, suggereert dat de "remmen" van het brein gemakkelijker te activeren zijn voor blijvende verandering dan de "versnellers" onder deze specifieke omstandigheden.

Deze bevindingen dagen het idee uit dat het simpelweg stimuleren van de excitatieve paden van het brein de meest betrouwbare manier is om blijvende plasticiteit op te wekken. In plaats daarvan laat de studie zien dat het targeten van de inhibitoire paden met een specifiek timingpatroon effectief en snel de prikkelbaarheid van het brein kan verminderen voor een aanzienlijke periode. Dit betekent niet dat het brein kapot is of dat de vorige ideeën onjuist waren, maar eerder dat de regels voor hoe men het brein verandert genuanceerder zijn dan voorheen gedacht. De onderzoekers merkten op dat individuele mensen verschillend reageerden, waarbij sommigen een afname in activiteit lieten zien en anderen een toename, zelfs binnen dezelfde groep. Deze variabiliteit benadrukt dat het brein zeer persoonlijk is, en wat voor de één werkt, werkt misschien niet voor een ander. Uiteindelijk biedt de studie een nieuwe, efficiënte methode om de motorische cortex tijdelijk tot rust te brengen, wat nuttig kan zijn voor toekomstig onderzoek naar hoe men de hersenactiviteit kan controleren, hoewel de onderzoekers waarschuwen dat er meer werk nodig is om precies te begrijpen hoe deze veranderingen plaatsvinden en of ze voor specifieke aandoeningen kunnen worden gebruikt.