Аннотация результатов, полученных в 2019 году
За первый год выполнения проекта был проведен анализ данных мультимышечных ТМС карт и определены показатели, являющиеся наиболее перспективными для дальнейшей оценки для определения нейропластических изменений на коре на фоне селективного моторного обучения, т.н. мышце-специфических параметров, позволяющих оценивать ТМС-соматотопику внутри зоны конечности. Была проверена гипотеза о связи долговременных корреляций (ДВК) с параметрами ТМС карт, в первую очередь с их стабильностью при повторном тестировании без интервенции, и со степенью перекрытия корковых репрезентаций различных мышц верхней конечности. Было показана положительная корреляция ДВК в бета-диапазоне для обоих дней ТМС картирования, что соответствует гипотезе о связи больших ДВК с большей степенью перекрытия мышц. В то же время в в противоположность гипотезе была обнаружена связь большей изменчивости профили возбудимости ТМС карты и более высокими ДВК в альфа-диапазоне. Для определения функциональной значимости такой связи планируется исследование связи ЭЭГ метрик и изменений ТМС репрезентаций на фоне моторного обучения. В течение первого года была разработана и протестирована программа ЭМГ-БОС тренинга для селективного моторного обучения в рамках парадигмы латерального торможения в двигательной коре. Были выбраны оптимальные движения для тренинга кисти и продемонстрировано, что 10 визитов достаточно для успешного обучения выбранному селективному моторному заданию. В течение первого года проводился выбор парадигм ТМС картирования между различными вариантами картирования всей первичной двигательной коры и 2D картированием только вдоль линии центральной борозды. Было продемонстрировано, что карты вдоль борозды не соответствуют полным ТМС картам, что требует дальнейшего исследования, т.к с одной стороны, именно для метода картирования вдоль центральной борозды наиболее убедительно показан соматотопический градиент, с другой стороны, как в настоящей работе, так и по данным литературы основные зоны карты, в тч горячая точка часто находятся вне области центральной борозды. Мы показали, что при исследовании комодуляции вызванных моторных ответов нескольких мышц верхней конечности в рамках парадигм парной ТМС, корреляции между мышцами определяется для всех феноменов парной ТМС в случае исследования мышц гипотенара и предплечья, в то время как для мышц тенара (мышцы отводящий большой палец) и предплечья корреляции наблюдаются не для всех феноменов парной ТМС. Мы предполагаем использовать полученное знание при исследовании межмышечных взаимодействий при ТМС картировании. Исследуемая в настоящем проекте возможность оценки ТМС соматотопики внутри зоны конечности и связи особенностей организации и реорганизации двигательной коры с особенностями нейрональной динамики в покое важна как с фундаментальной точки зрения для понимания роли баланса торможения/возбуждения в двигательной коре, так и с практической точки зрения для разработки новых эффективных подходов реабилитации и нейромодуляции с использованием неинвазивной стимуляции мозга.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Пространственное разрешение метода навигационной транскраниальной магнитной стимуляции (нТМС) составляет всего несколько миллиметров. Несмотря на это нТМС до сих пор мало используется для функционального картирования мозг с целью оценки его пластичности, особенно в клинических целях. В течение второго года проекта мы полностью завершили анализ данных нТМС картирования без моторного обучения, как по данным индивидуальных ТМС карт, так и по нормализованным данным в пространстве MNI, продемонстрировав особенности соматотопического градиента и взаимодействий между ТМС двигательными картами нескольких мышц руки при полноценном ТМС картировании первичной двигательной коры с большим количеством точек стимуляции (177–395 точек на добровольца) и при ТМС картировании вдоль центральной борозды. Мы исследовали градиент соматотопики в первичной двигательной коре внутри зоны руки, а также абсолютную и относительную воспроизводимость ТМС карт мышц руки. Мы выявили соматотопический градиент ТМС карт, отражающийся в том, что ТМС карта мышцы тенара располагалась латеральнее ТМС карт мышц гипотенара и общего разгибателя пальцев на предплечье. Анализ воспроизводимости параметров мультимышечных ТМС карт показал, что наиболее часто используемые параметры ТМС карт, такие как площади, объемы, центры тяжести и горячие точки, имеют высокую относительную, но низкую абсолютную воспроизводимость для всех трех исследуемых мышц руки. Более того, у наиболее распространенных показателей соматотопики ТМС карт, таких как расстояние между центрами тяжести и горячими точками ТМС карт разных мышц, даже относительная воспроизводимость была низкой. В то же время перекрытия между ТМС картами разных мышц характеризовались высокой абсолютной и относительной надежностью. Отдельной целью, которую мы ставили в этом году, была оценка градиента соматотопики при ТМС картировании всей первичной двигательной коры и картировании только вдоль центральной борозды. Мы показали, что латеральный сдвиг мышц тенара наблюдается также и при картировании вдоль борозды. Однако важно отметить что у двоих добровольцев было невозможно полноценно оценить соматотопику вдоль центральной борозды поскольку их ТМС карты были смещены рострально, а вдоль центральной борозды ответов на ТМС вообще не было получено. Мы предположили, что такая ситуация может классифицироваться как «премоторный» тип ТМС карт. Также, сравнивая размеры ТМС карт, мы обнаружили, что площадь ТМС карты мышцы гипотенара меньше, чем площадь ТМС карт мышц тенара и общего разгибателя пальцев на предплечье, и для последнего эта разница значима. Насколько нам известно, ранее четких различий размеров ТМС карт проксимальных мышц руки по сравнению с ТМС картами мышц кисти описано не было. Важной особенностью работы являлось одновременное исследование ТМС карт нескольких мышц. Насколько нам известно, это первая работа, в которой была исследована абсолютная воспроизводимость мульти-мышечных ТМС карт с использованием нТМС по данным индивидуальной анатомии мозга для всей первичной моторной коры в дополнение к ТМС картированию вдоль центральной борозды. Другой особенностью проведенной работы было использование большого количества точек стимуляции: мы использовали до 350 точек стимуляции в связи с тем, что данные литературы о минимальном количестве точек стимуляции для ТМС моторного картирования противоречивы: в то время как некоторые параметры ТМС карт могут быть оценены уже при наличии 60 точек стимуляции, мы и другие российские коллеги ранее показали, что параметры ТМС карт продолжают изменяться при добавлении стимулов вплоть до гораздо большего количества стимулов. Таким образом нами был проведен анализ данных мультимышечных ТМС карт и определены показатели, являющиеся наиболее перспективными для дальнейшей оценки для определения нейропластических изменений в коре на фоне селективного моторного обучения, т.н. мышце-специфических параметров, позволяющих оценивать ТМС-соматотопику внутри зоны конечности. Важнейшим ограничением данного исследования, проведенного (в блоке 1) являлось отсутствие оценки двигательных способностей и оценки эффектов моторного тренинга, что важно для оценки функциональной значимости ТМС соматотопики внутри зоны конечности, что было преодолено на этапе 2. Более подробно результаты описаны в статье, вышедшей в этом году в журнале Human Brain Mapping (Nazarova et al., 2021). В течение второго года проекта мы продолжали работу над блоком 2 для оценки пластических изменений ТМС карт на фоне обучения. Мы доработали ЭМГ-БОС программу тренинга тонких движений пальцев, и исследовали, каким образом описанные выше взаимодействия между корковыми ТМС картами-репрезентациями различных мышц руки изменяются на фоне тренинга по индивидуализации пальцев кисти («развязыванию пальцев»). С использованием настоящей версии программы улучшение результатов («развязывание пальцев») за 10 дней наблюдалась у всех добровольцев, но уровень успеха сильно варьировал. В то же время максимальный уровень сокращения для обеих целевых мышц в ходе тренинга менялся неодинаково: у некоторых добровольцев увеличивался, а у некоторых, наоборот, уменьшался. Интересно отметить, что наибольшее увеличение максимального сокращения наблюдалось у человека с наименьшим успехом тренировки независимых движений большим пальцем и мизинцем. Таким образом, предварительные результаты блока 2 показали, что независимая тренировка пальцев была эффективной для всех участников, в то время как сила сокращения не всегда увеличивалась, что соответствует широко обсуждаемому предположению, что сила и ловкость рук мало связаны между собой. Мы полагали, что перекрытия между корковыми репрезентациями тренируемых мышц уменьшатся, и наши предварительные результаты действительно демонстрируют, что перекрытия между тренируемыми мышцами стали меньше (среднее уменьшение площади перекрытия - 14%). Еще одним направлением, разрабатываемым в данном проекте, являлась оценка ковариативности ответов на ТМС различных мышц руки при стимуляции одной точки первичной двигательной коры с использованием протоколов однократной и парной ТМС (с исследованием ТМС феноменов парной стимуляции с короткими и длинными межимпульсиными интервалами). В этом году мы завершили набор группы по этому проекту (24 здоровых праворуких добровольца (из них 12 женщин, 18-34 лет)) и показали, что ковариативность ответов на ТМС между разными мышцами различна для разных ТМС феноменов, при этом длина межимпульсного интервала не является определяющим фактором. При групповом анализе выраженности ТМС феноменов в разных мышцах феномен внутрикорковой фасилитации с короткими межимпульсными интервалами характеризовался наименьшими значениями 1-ой компоненты (по данным метода основных компонент) (процентом объясненной вариативности между мышцами), что указывает на то, что этот феномен парной ТМС наиболее топографически специфичен. В то же время, когда рассматривались изменения ответов на ТМС от стимула к стимулу на индивидуальном уровне, ситуация была иная: общий фактор вариативности был наименьшим при проведении однократной ТМС (т.е. ответ на ТМС в каждой мышце более специфичен для этой мышцы), в то время как при проведении парной ТМС комодуляция ответов на ТМС между мышцами была больше, что мы интерпретируем таким образом, что первый импульс при парной ТМС приводит систему в более однородное состояние и увеличивает комодуляцию ответов на ТМС между разными мышцами. В целом в течение второго года проекта мы завершили анализ полученных данных по проектам, связанным с особенностями мультимышечных ТМС корковых карт разных мышц руки и комодуляцией ответов разных мышц руки на однократную и парную ТМС, а также получили предварительные результаты по проекту, посвященному изменению мультимышечных ТМС корковых карт мышц руки на фоне селективного моторного тренинга пальцев кисти. Наша работа является шагом по созданию новых неинвазивных стимуляционных подходов для изучения и модуляции тонкой организации двигательной коры, что имеет большое значение как с фундаментальной точки зрения для более глубокого понимания тонкой функциональной организации двигательной коры, так и с практической точки зрения для разработки новых эффективных подходов функциональной нейромодуляции и картирования двигательной системы мозга с использованием ТМС в норме и при патологии.