Neuroimaging study of the effects of transcranial static-magnetic-field stimulation on corticostriatal activity
Authors:   , Caballero Insaurriaga Jaime 
Published: May 2024

The striatum is a deep brain structure that represents the main input from the cerebral cortex to the basal ganglia, a set of brain nuclei fundamental for motor and nonmotor control and learning. Corticostriatal activity is affected in neurological disorders such as Parkinsons disease and are thus an appealing target for non-pharmacological treatments. In humans, the activity of localized cortical regions can be modulated by non-invasive brain stimulation techniques such as transcranial static-magnetic-field stimulation. In principle, stimulation of a cortical area physiologically connected to the striatum could modulate corticostriatal activity, but direct evidence of such a modulation is currently missing.

This thesis is aimed to assess the potential non-invasive modulation of corticostriatal activity by transcranial static-magnetic-field stimulation, as well as to develop an appropriate conceptual and methodological framework for such a task.

Human corticostriatal activity can be assessed non-invasively by simultaneously probing cortical and striatal activity, by means of functional MRI and the concept of functional connectivity, or the correlation of the activity of connected brain regions. However, current methodologies cannot distinguish any potential shared corticostriatal changes from the expected local cortical changes induced by the stimulation. In here a new conceptual and methodological framework is presented, that explicitly represents brain activity as a compound of shared and local components, thus being able to disambiguate functional connectivity. The framework is justified analytically, and validated by means of simulations.

Real functional MRI data was studied with the developed framework to assess the corticostriatal effects of transcranial static-magnetic-field stimulation. First, corticostriatal connections were mapped in a relatively big, public MRI dataset. On data from a transcranial static-magnetic field stimulation experiment, current methodologies were unable to detect any corticostriatal change. With the new framework, clear local changes in the stimulated cortex and in a connected striatal region were evidenced. Furthermore, it was possible to directly measure a change in shared corticostriatal activity between the locally modulated regions.

By means of a newly developed methodological framework, it was possible to show unambiguously that transcranial static-magnetic-field stimulation can noninvasively modulate human corticostriatal activity.

RESUMEN

El estriado es una estructura cerebral profunda que representa la principal entrada desde la corteza cerebral hacia los ganglios basales, esenciales para el control motor y no motor, así como para el aprendizaje. La actividad corticoestriatal se ve alterada en trastornos neurológicos como la enfermedad de Parkinson y son, por lo tanto, una diana interesante para el tratamiento no farmacológico. La actividad de regiones corticales localizadas puede modularse mediante técnicas de estimulación cerebral no invasiva como la estimulación transcraneal por campo magnético estático. La estimulación de un área cortical con conexión al estriado puede en principio modular la actividad corticoestriatal, pero actualmente no hay evidencia de dicha modulación.

Esta tesis tiene como objetivo estudiar la modulación no invasiva de la actividad corticoestriatal mediante estimulación transcraneal por campo magnético estático, así como desarrollar un marco conceptual y metodológico apropiado para esta tarea.

La actividad corticoestriatal puede evaluarse en humanos de manera no invasiva midiendo simultáneamente la actividad cortical y estriatal mediante resonancia magnética funcional y usando el concepto de conectividad funcional, la correlación en la actividad de regiones cerebrales conectadas. Sin embargo, la metodología actual no permite distinguir los posibles cambios corticoestriatales de los esperados cambios corticales inducidos por la estimulación. En esta tesis se presenta un nuevo marco metodológico que desambigua la conectividad funcional representando la actividad cerebral como una combinación de componentes compartidas y locales. El marco está justificado analíticamente y fue validado mediante simulaciones.

Los efectos de la estimulación transcraneal por campo magnético estático sobre la actividad corticoestriatal se estudiaron en datos experimentales. En primer lugar, se mapearon las conexiones corticoestriatales en una muestra pública relativamente grande. En una muestra de un experimento de estimulación por campo magnético estático, la metodología actual no permitió detectar ningún cambio corticoestriatal. Con el nuevo marco, se evidenciaron cambios locales claros en la región cortical estimulada y en una región estriatal conectada con ella. Además, se midió directamente un cambio en la actividad corticoestriatal compartida entre las regiones moduladas.

Mediante el marco metodológico desarrollado, se pudo demostrar de manera inequívoca que la estimulación transcraneal por campo magnético estático puede modular de manera no invasiva la actividad corticoestriatal en humanos.