Identification of causal structure-function relationships in the human motor cortex with non-invasive brain stimulation

Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein nicht-invasives Hirnstimulationsverfahren, das im Klinik- und im Forschungsalltag eingesetzt wird, um kausale Struktur-Funktions-Beziehungen im menschlichen Gehirn zu identifizieren. Mittels eines induzierten elektrischen Feldes wird durch Depolarisierung kortikaler Neuronen aktiv in die Verarbeitung lokal begrenzter Hirnregionen eingegriffen. Allerdings beschränkt die hohe Autokorrelation des induzierten elektrischen Feldes eine präzise Lokalisation des TMS Effekts im kortikalen Gewebe.

In dieser Arbeit präsentiere ich ein neues Paradigma, das aktuelle Entwicklungen im Bereich Feldmodellierung verwendet, um die räumliche Auflösung von TMS Lokalisation signifikant zu erhöhen. Stimulationsreaktionen auf verschiedene Stimulationsorte werden in einer Analyse kombiniert um die involvierten Neuronenpopulationen zu identifizieren. Die Stimulation wird quantifiziert mittels hochauflösender Feldberechnungen, um eine realistische Abschätzung der kortikalen Stimulation zu erzielen. Die Güte des funktionalen Zusammenhangs zwischen Feldexposition und modulierten Verhalten wird genutzt, um die involvierte Neuronenpopulation zu identifizieren.

Als erste Annäherung verwende ich Input-Output-Kurven für eine Reihe von Stimulationsorten um Muskelrepräsentationen im primären Motorkortex zu lokalisieren. Ich validiere die Ergebnisse experimentell mit Hilfe der Ruhemotorschwelle um die praktische Relevanz einer präzisen Lokalisation aufzeigen. Anschließend entwickele ich einen generalisierten Ansatz, der Stimulationen an beliebigen Orten zulässt, um die praktische Durchführbarkeit und Effizienz zu erhöhen. Diese Implementierung ermöglicht eine robuste und präzise Lokalisierung mehrerer Muskelrepräsentationen zugleich. Um die Einsetzbarkeit dieser Methode zu gewährleisten ist die gesamte Routine, inklusive aller Auswertungsskripte und eines Beispieldatesatzes, im Detail beschrieben und veröffentlicht.

Die Verwendung von Aktivierungsfunktionen zur Lokalisierung von Funktionen im Kortex ermöglicht die Verwendung einer Dosierungsmetrik, die auf individuellen, kortikalen Stimulationsschwellen basiert. Eine präzise, individualisierte Dosierungsmetrik kann dazu beitragen, die Sensitivität und Spezifität von TMS signifikant zu erhöhen.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a popular non-invasive brain stimulation technique, allowing researchers and clinicians alike to draw causal inference about structure-function relationships in the human brain. This powerful method actively interferes with local brain processing by depolarizing cortical neurons with an induced electric field (e-field). However, TMS notoriously suffers from the high autocorrelation of its e-field, impeding a straightforward and precise functional mapping of the cortex.

Here, I present a novel paradigm that leverages recent advances in e-field modeling to critically improve the spatial resolution of TMS localization within the cortex - on the single subject level. This mapping approach integrates information from many different stimulation sites to pinpoint functionally relevant neuronal populations. The cortical stimulation is quantified via high-resolution e-field simulations, thus providing realistic estimates of the stimulation exposure. Subsequently, the cortical e-field exposure is fitted to the evoked response to identifying the cortical origin of the modulated function.

First, I build upon previous work on cortical activation functions by TMS and apply this to locate finger muscle representations in the primary motor cortex. In a follow-up experimental session, I validate the localization results utilizing a practice-oriented metric: the resting motor threshold (rMT). Second, I implement a generalized analytical approach to allow for the integration of quasi-random stimulation sites. With this, the experimental feasibility and sampling efficiency are substantially improved, enabling robust and precise cortical mappings of multiple finger muscle representations concurrently. Third, the routine and the complete analysis code are provided production-ready to facilitate further the application of this cortical mapping approach in real-world scenarios.

The utilization of causal activation functions for cortex mappings lays the foundation for a TMS-dosing metric based on subject-specific cortical field thresholds and potentially helps to unlock the currently unrealized potential of TMS.

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