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Behavior

L'inibizione intracorticale all'interno della corteccia di motore primaria può essere modulata modificando al centro dell'attenzione

Published: September 11, 2017 doi: 10.3791/55771
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Department of Medicine, Movement and Sport Sciences, University of Fribourg

Summary

Utilizzando due transcranial diversi protocolli di stimolazione magnetica (TMS), questo manoscritto descrive come misurare e confrontare l'inibizione corticale all'interno della corteccia di motore primaria quando adotta diversi fuochi attentional.

Abstract

È riconosciuto bene che un fuoco esterno (EF) rispetto ad una messa a fuoco interna (IF) di attenzione migliora le prestazioni e apprendimento motorio. Gli studi hanno indicato la produzione, saltando le prestazioni, la velocità di movimento, il consumo di ossigeno e faticoso compito di benefici in precisione, equilibrio, forza. Anche se risultati comportamentali di utilizzare una strategia EF sono ben esplorati, i meccanismi neurali sottostanti rimangono sconosciuti. Un recente studio TMS rispetto l'attività della corteccia motoria primaria (M1) tra un EF e un'istruzione IF. Più precisamente, questo studio ha mostrato che, quando adotta un EF, l'attività dei circuiti intracorticali inibitori è migliorata.

A livello comportamentale, il presente protocollo prove l'influenza di attentional fuochi sul tempo di attività guasto (TTF) durante l'esecuzione di contrazioni submassimali di primo interosseo dorsale (FDI). Inoltre, l'articolo attuale descrive due protocolli di TMS per valutare l'influenza delle condizioni attenzionali sull'attività dei circuiti corticali inibitori all'interno della M1. Pertanto, il presente articolo viene descritto come utilizzare single-pulse TMS a intensità sotto la soglia del motore (subTMS) e accoppiare-impulso TMS, inducendo inibizione intracorticale breve-intervallo (SICI) quando applicato alla M1. Come questi metodi vengono considerati in modo da riflettere la capacità di risposta dei neuroni inibitori GABAergici, senza essere influenzato da circuiti riflessi spinale, sono l'ideale per misurare l'attività dei circuiti intracorticali inibitori all'interno della M1.

I risultati mostrano che dirigendo attenzione esternamente migliora le prestazioni del motore, come i partecipanti sono stati in grado di prolungare il tempo di attività guasto. Inoltre, i risultati sono stati accompagnati da una maggiore soppressione indotta da subTMS l'elettromiografia e SICI quando adotta un EF rispetto a un'istruzione IF. Come il livello di inibizione corticale entro la M1 è stato precedentemente dimostrato di influenzare le prestazioni del motore, l'inibizione avanzata con un EF potrebbe contribuire per la migliore efficienza di movimento osservata nell'attività comportamentali, indicato da una prolungata TTF con un EF.

Introduction

Ora è generalmente accettato che l'adozione di un EF rispetto a un'istruzione IF o neutro focus di attenzione promuove le prestazioni del motore e l'apprendimento in numerose impostazioni1. Risulta, ad esempio, che l'adozione di un EF porta vantaggi precisione2,,3,4,5,6dell'equilibrio, forza produzione7,8, prestazioni di salto 7 , 9 , 10 , 11, movimento velocità12, ossigeno consumo13,14e faticosa attività15,16.

Da altro lato, poiché l'attivazione del cervello è la base di tutti i movimenti, diversi aspetti del controllo neurale del movimento sono stati studiati. Ad esempio, il livello e la capacità di modulare l'inibizione intracorticale entro la M1 ha dimostrato di avere una forte influenza sulla funzione motoria, come coordinamento interlimb17, controllo posturale18e19di destrezza. Inoltre, popolazioni con abilità di controllo del motore più povere rispetto agli adulti giovani, quali soggetti anziani o bambini (nati pretermine20), di solito mostrano che meno pronunciato controllo inibitorio. Così, anche se il ruolo dei processi inibitori non è ancora ben compresi, inibitori processi tuttavia sembrano essere importanti per la qualità dell'esecuzione motore in generale.

La possibilità di studiare circuiti inibitori intracorticali consiste nell'utilizzare la stimolazione magnetica transcranica non invasivo (TMS). Il protocollo di stimolazione più comunemente usate si applica accoppiare-impulso TMS (ppTMS) per indurre SICI. Questo protocollo utilizza uno stimolo condizionata sotto la soglia del motore per ridurre l'ampiezza della risposta stimolo controllo suprathreshold suscitata ad intervalli di 1-5 ms21,22,23 interstimulus , 24. quindi, segnalato come la percentuale dello stimolo di controllo, le ampiezze dei potenziali Motore-evocati (MEP) possono essere paragonate in condizioni, dando informazioni su attività corticale inibitorio e modulazione all'interno di M1.

Un altro protocollo di stimolazione per valutare l'attività dei circuiti inibitori intractortical applica impulsi singoli, dove tutti gli stimoli vengono consegnati alle intensità sotto la soglia del motore (cioè, subTMS). Questo protocollo induce la soppressione nel25,18,di attività in corso EMG26. Questa cosiddetta soppressione di EMG subTMS-indotto può essere paragonata in termini di quantità e durata. Anche se questo protocollo non è così comunemente usato, ha alcuni vantaggi rispetto al protocollo standard SICI. Questo protocollo non disturbare l'esecuzione motore, come non induce suprathreshold stimoli. Entrambi i metodi di prova la reattività di interneuroni inibitori intracorticali acido gamma - aminobutirrico (GABA)23,27.

Nonostante i ben noti vantaggi di utilizzare un EF rispetto a un'istruzione IF sulla prestazione del motore1, i processi neurali sottostanti rimangono in gran parte sconosciuti. In un studio fMRI ex28, è stato indicato che l'attivazione di ossigeno nel sangue livello-dipendente (grassetto) è stata migliorata in M1, primaria somatosensoriale, e cortecce insulari quando soggetti eseguito un dito di sequenza e adottato un EF rispetto a un'istruzione IF. Come attività eccitatoria ed inibitoria non possono essere differenziati da fMRI29, un altro recente studio16 stipulato che l'attività migliorata in M1 connesso con un EF potrebbe, infatti, essere dovuto l'attività migliorata di intracortical circuiti inibitori. Più precisamente, questo studio ha mostrato che l'eccitabilità dei neuroni GABAergici inibitori può essere modulata istantaneamente dal tipo di attentional focus adottato in una stessa persona.

L'obiettivo principale del presente protocollo è di mostrare due modi possibili per confrontare gli effetti immediati della manipolazione cognitiva (cioè, messa a fuoco di istruzioni attenzione) l'attività dei circuiti intracorticali inibitori all'interno della M1. SubTMS e ppTMS sono entrambi usati. Inoltre, questo protocollo viene illustrato un possibile modo per esplorare l'influenza dei fuochi attentional il comportamento del motore in modo molto controllato esaminando il TTF di submassimale contrazione isometrica continua degli investimenti diretti esteri.

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Protocol

questo protocollo è stato approvato dal comitato etico locale, e gli esperimenti sono in conformità con la dichiarazione di Helsinki (1964).

1. approvazione etica e soggetto istruzioni

  1. prima di iniziare la misurazione, istruire tutti i partecipanti circa i potenziali fattori di rischio e lo scopo dello studio. Non do informazioni sui fuochi attenzionali, poiché questo potrebbe influenzare i risultati. Assicurarsi che siano seguite le indicazioni di sicurezza per l'applicazione della TMS in ricerca impostazioni 30.
    Nota: Quando si applica la TMS, ci sono alcuni fattori di rischio medicali, compresi elettrodi impiantati cranici e gli impianti cocleari, storia personale di sincope o convulsioni, epilessia, lesione cerebrale, interazioni farmaco/farmaco, recente ritiro di droga, gravidanza, o malattia. TMS non deve essere somministrato nei bambini.
  2. Nello studio, includono partecipanti in buona salute (n = 14) tra i 18 e i 35 anni. Escludere i soggetti con qualsiasi malattie ortopediche e/o neurologici o mentale. Garantire che tutti i partecipanti sono di mano destri.

2. Experimental Design e installazione

  1. Divide il gruppo in due. Incaricare uno la metà del gruppo su istruzioni IF in primo luogo, seguito da EF istruzioni nella sessione in secondo luogo sperimentale (vedere la sezione 4.2.2 per le istruzioni verbali). Istruire l'altra metà in un ordine controbilanciato.
    Nota: L'esperimento è costituito da un totale di quattro sessioni di laboratorio (Vedi Figura 1) che devono essere separati da un minimo di 72 ore. Le prime due sessioni sono costituiti da misurare la forza massima (Fmax) e il TTF del dito indice sostenuta submassimale rapimento (Vedi punto 4). Le sessioni di terza e quarta consistono di misurare l'attività dei circuiti inibitori entro la M1 durante l'attività per mezzo di subTMS e ppTMS (Vedi Figura 1).

3. Soggetto di preparazione

  1. sedile il partecipante in una sedia regolabile e confortevole tutto l'esperimento. Posizionare un monitor 1 m davanti al partecipante.
  2. Inserire il braccio sinistro in una posizione confortevole e rilassata sotto il tavolo, che riposa sulla gamba sinistra. Se necessario, regolare la posizione del braccio con un cuscino. Posizionare il braccio destro del soggetto in una stecca su misura in posizione di pronazione (Vedi Figura 2).
    Nota: Qui, la stecca fatta di termoplastici e adatto a tutti i partecipanti (per dettagli, vedere 16). Inoltre, la stecca è stata concepita per limitare i gradi di libertà dell'articolazione del polso (Vedi Figura 2B). I movimenti soli ammessi erano l'abduzione e l'adduzione del giunto metacarpophalangeal del dito indice della mano destra.
  3. Allineare la falange con l'asse di rotazione del dispositivo su misura. Una volta trovata la posizione ottimale, registrare manualmente e scattare una foto delle posizioni antero-posteriore e medio-laterale dello splint utilizzare posizioni comparabili in sessioni di 2, 3 e 4.

4. Sessioni 1 e 2: test comportamentali

  1. massimale contrazioni isometriche (vedere Figura 1A ).
    1. Allineare gli assi di rotazione del goniometro e il giunto metacarpophalangeal e fissare il goniometro correttamente con viti (Vedi Figura 2). Posizionare il trasduttore di forza in un modo che permette per la contrazione volontaria massima (Vedi Figura 2B).
    2. Collegare il cavo EMG (muscolo FDI), il trasduttore di forza e i cavi di goniometro all'amplificatore appropriato e/o convertitore analogico-digitale (A-D).
    3. Che il partecipante effettuare 3 rapimenti isometrici massimi del dito indice, con una pausa di 30 secondi tra ogni contrazione e di determinare la Fmax.
      Nota: La Fmax è determinato come la vetta più alta del segnale di forza ottenuta dal trasduttore di forza. Spiegare al partecipante che massimale contrazioni consistono di un graduale aumento in vigore da 0 N al massimo individuale. D'importanza, istruire i partecipanti di eseguire una contrazione isometrica contro il trasduttore di forza stazionaria. I partecipanti dovrebbero rapire il dito indice contro il giunto metacarpophalangeal e spingere duri come possibile contro il trasduttore di forza. Un arco di tempo di 3-s dovrebbe essere dato a contrazione, e i partecipanti devono essere istruiti a sostenere la forza massimale per 2 s 16 , 25 , 26. Tra ogni contrazione, dare ai partecipanti una pausa di 30-s.
    4. Avere il soggetto spingere la leva contro il trasduttore di forza, senza dare alcuna istruzione circa al centro dell'attenzione.
      Nota: La stessa operazione avverrà all'inizio della sessione 2 per garantire che la Fmax e la posizione nella stecca non sono cambiati tra sessioni.
    5. Dopo le contrazioni maximal, rimuovere il trasduttore di forza, permettendo al dito indice per muoversi liberamente sul piano trasversa (abduzione/adduzione).
    6. Calcolare la Fmax dai rapimenti isometrici massimi (punto 4.1.3) utilizzando i dati grezzi sul computer. Determinare il 30% (Fmax * 0.3; sessioni 1 e 2) e il 10% (Fmax * 0.1; sessioni 3 e 4) della Fmax.
      Nota: Considerare la Fmax come la vetta più alta, trovata il segnale di forza ottenuto dal trasduttore di forza. Nelle seguenti sessioni, le intensità di contrazione diversi (30% e 10%) saranno calcolate da Fmax ottenuti in questa fase dell'esperimento.
    7. Riempire una bottiglia d'acqua per l'importo che rappresenta il 30% della Fmax ottenuti dal punto 4.1.6. Fissare il peso della Fmax alla corda del dispositivo (Vedi Figura 2A).
      Nota: La densità di massa volumetrica dell'acqua è 1kg/L. Così, se il 30% della Fmax di un partecipante rappresenta 0,4 kg, regolare il peso della bottiglia per l'equivalente di 0,4 kg.
  2. Sostenuto contrazioni fino al TTF (vedere Figura 1A ).
    1. Istruire i partecipanti sull'attività.
      Nota: I partecipanti devono tenere il dito nella posizione di destinazione contrastando il peso (Vedi Figura 2), esecuzione di un rapimento del dito indice. L'attività deve essere eseguita fino alla rottura di attività. Il fallimento di attività è determinato come una deviazione maggiore di 10 gradi dalla posizione di destinazione. La deviazione è misurata con il goniometro e visualizzata sul monitor (Vedi Figura 2B).
    2. Randomizzare l'ordine della sessione (Vedi punto 2.1; EF o se condizione). Verbalmente istruire i partecipanti sulla condizione adeguata (se o EF).
      1. Per the condizione EF, istruire come segue: " concentrarsi sulla posizione del goniometro. Mantenere questa posizione quanto più possibile. Quando cambia la posizione del goniometro, lo spessore della linea rossa sullo schermo cambia. Correggere la posizione del goniometro fino a quando la linea rossa è sottile ancora. " indicare al partecipante di " di controllo e di concentrarsi sulla posizione del goniometro " ogni 30 s.
      2. Condizione per il se, istruire come segue: " concentrarsi sulla posizione del dito. Mantenere questa posizione quanto più possibile. Quando cambia la posizione del dito, lo spessore della linea rossa sullo schermo cambia. Correggere la posizione del dito fino a quando la linea rossa è sottile ancora. " indicare al partecipante di " contratto e concentrarsi sui suoi muscoli dito " ogni 30 s.
    3. Hanno i partecipanti tenere il dito nella posizione di destinazione contrastando il peso (Vedi Figura 2), esecuzione di un rapimento del dito indice. Far eseguire l'attività fino al fallimento attività.
    4. Premere il " record " pulsante sul software di registrazione per iniziare a registrare il segnale di goniometro e attendere la pagina di errore di attività. Una volta raggiunto errori di attività, premere il " interrompere la registrazione " pulsante sul software di registrazione per interrompere la registrazione e salvare il segnale di goniometro sul computer. Rimuovere il partecipante ' mano di s dalla stecca ortopedica; la prima sessione è ormai finita.
    5. Rispettando il minimo periodo di Inter-sessione (72 h), ripetere i passaggi 4.2.1-4.2.4. Inoltre, consentire un minimo di 72 h pausa tra le sessioni, 2 e 3 e 3 e 4.

5. Sessioni di 3 e 4: stimolazione cerebrale

  1. superficie registrazioni elettromiografia (sEMG).
    1. Radersi i capelli sulla pelle sopra il muscolo FDI giusto, se necessario e poi carteggiare leggermente la pelle usando il gel d'abrasione. Disinfettare la zona abrasa con una soluzione contenente 80% di etanolo e 1% di glicerina. Consentire l'etanolo evaporare.
    2. Posizionare gli elettrodi di superficie bipolari di Ag/AgCl in un montaggio di pancia-tendine su FDI, con distanza di interelectrode 1-cm. Posizionare l'elettrodo di riferimento sulla falange del medius del digitus.
    3. Collegare il cavo di EMG (muscolo FDI) e il cavo di goniometro di un amplificatore di EMG e di un convertitore A-D.
    4. Uso Ag/AgCl bipolare in superficie elettrodi per registrare e misurare l'attività muscolare e risposte elettrofisiologiche suscitate da stimolazione cerebrale dal muscolo FDI.
      Nota: Per l'analisi finale (subTMS-indotta di ampiezza EMG soppressione e picco-MEP), il segnale EMG (da FDI) deve essere regolato come segue: amplificazione di x1000, Butterworth passa-banda filtro di 10-1000 Hz e di campionamento di 4 kHz. Memorizzare tutti i dati di EMG su un computer per l'analisi offline.
  2. Ripetere i punti 3.1 e 3.2.
    1. La stimolazione magnetica transcranica difficoltà i marcatori riflettenti sul partecipante ' fronte di s con nastro bi adesivo.
      Nota: Marcatori riflettenti consentono la consegna costantemente di TMS per la zona di destinazione sopra M1 utilizzando un sistema di neuronavigazione (Vedi Figura 2). Il vantaggio del sistema di neuronavigazione è che la posizione della bobina possa essere registrata rispetto alla posizione del cranio nello spazio ed essere controllata in qualsiasi momento in tutto l'intero esperimento.
    2. Uso una 95 mm focale figura di otto bobine collegato a uno stimolatore TMS per offrire stimoli alla zona controlaterale mano corticale motore.
      Nota: Controllare che lo stimolatore permette di paradigmi di stimolazione di accoppiare-impulso (sessione 4). Inoltre, la corrente indotta deve essere diretto posteriore a anteriore e dovrà essere consegnata in modalità reverse. La forma d'onda dovrebbe essere monofasica.
    3. Trovare la posizione ottimale (hot spot) della bobina rispetto al cranio per indurre i potenziali evocati motori (MEP) nel muscolo FDI eseguendo una procedura classica mappatura.
      1. Start inserendo la bobina di circa 0,5 cm anteriore al vertice e sopra la linea mediana, con il manico di bobina rivolto a 45 ° verso la fronte controlaterale.
        Nota: Questo garantisce che il flusso di corrente indotto è quasi perpendicolare al solco centrale 31.
      2. Per ottenere i partecipanti utilizzati per gli stimoli TMS, iniziare a intensità inferiore al 25% dell'uscita massima stimolatore (MSO). Quindi, iniziare a aumentare l'intensità di stimolazione e spostare la bobina in direzione medio-laterale e rostro-frontale per scoprire l'area sensibile.
    4. Viene individuata l'hot spot, registrare la posizione ottima con il sistema di neuronavigazione. Determinare la soglia del motore attiva (aMT) regolando l'intensità dell'uscita dello stimolatore. Definire l'aMT come l'intensità minima di evocare le ampiezze di picco-picco MEP in EMG del FDI maggiore di 0,1 mV in tre delle cinque prove consecutive 21.
  4. Sessione 3: soppressione indotta da SubTMS EMG (vedere Figura 1B ).
    1. Preparare il peso che rappresenta il 10% della Fmax riempiendo la bottiglia d'acqua (vedere il punto 4.1.7).
      Nota: Il 10% della Fmax vengono selezionati in base su Fmax (la migliore delle 3 prove) eseguita nel passaggio 4.1.3. Nel protocollo TMS sottosoglia, soltanto il 10% della Fmax deve essere selezionato, come precedentemente è stato indicato che fatica ha un'influenza sul subTMS-indotto EMG soppressione 32 , 33. Per lo stesso motivo, la sessione di subTMS deve essere eseguita su una sessione separata. Il volume di acqua utilizzata qui è tra 0,3 L (minimo 30% della Fmax) e 1,2 L (più grande 30% della Fmax).
    2. Istruire i partecipanti sull'attività; il compito motorio costituito tenendo il dito indice in posizione bersaglio contrastando il peso leggero del 10% (abduzione del dito indice; la stessa attività come sessioni 1 e 2, ma con meno peso).
    3. Come i partecipanti rimangano rilassati in una posizione comoda, trovare l'intensità ottima per provoca soppressione subTMS-EMG, senza impartire istruzioni circa al centro dell'attenzione. Per effettuare questa operazione, successivamente diminuire in passi di 2% MSO da aMT determinato precedentemente.
    4. Mentre sono ancora seduti in posizione rilassata e confortevole, hanno i partecipanti eseguono due rapimenti di dito indice isometrica separata al 10% della Fmax e registrano il segnale EMG degli investimenti diretti esteri. Durante questa abduzione isometrica dito indice, registrare (premendo il " record " pulsante sul software registrazione) 20 prove con e 20 prove senza TMS, con un intervallo di interstimulus randomizzato (ISIs) che vanno da 0,8 a 1,1 s 16 , 25 , 26 , 33 , 34 in una finestra di tempo di 100 ms.
      Nota: Questo intervallo assicura che i partecipanti non è necessario eseguire l'operazione del motore troppo a lungo e quindi riduce al minimo gli effetti affaticante. Dopo ogni serie, verifica la soppressione di EMG subTMS-indotta.
      1. Applica una rettifica a onda intera convertendo tutte le ampiezze negative in positive ampiezze dei segnali di EMG. Media l'EMG segnali utilizzando tempo normalizzato in media 35.
        Nota: L'inizio della soppressione di subTMS-EMG è definito come il momento in cui la differenza tra le prove con e quelle senza TMS è negativa per almeno 4 ms in una finestra di tempo da 20 a 50 ms dopo la TMS: EMG Diff = EMG senza-EMG con .
    5. Ripetere il punto 5.4.3 finché non viene trovato l'intensità di stimolazione ottimale, indicato tramite la soppressione di EMG più grande.
      Nota: L'intensità ottima si trova a circa 80% di aMT 16.
    6. Dare al partecipante l'adeguataistruzioni (Vedi punto 4.2.2) per quanto riguarda la condizione (IF o EF). Ripetere le istruzioni prima di ogni serie (punto 4.2.2).
    7. Mentre rimangono seduti in posizione rilassata e confortevole, hanno i partecipanti eseguire quattro separati dito indice isometrica rapimenti (2 volte con ogni attenzione: EF e se) al 10% della Fmax e registra il segnale EMG degli investimenti diretti esteri.
      1. Durante questa abduzione isometrica dito indice, registrare (premendo il " record " pulsante sul software registrazione) 40 prove con e 40 prove senza TMS, con ISIs randomizzato per ogni condizione (vale a dire, se ed EF) in un carico a sbalzo ordine. Utilizzare la stessa intensità per ogni condizione (determinato nel punto 5.4.5).
    8. Tra ogni serie, fare una pausa di un minimo di 5 min per ridurre al minimo eventuali pregiudizi che possono essere indotti da affaticamento.
  5. Sessione 4: ppTMS (vedere Figura 1B ).
    Nota: Il paradigma di accoppiare-impulso è composto da uno stimolo condizionata a 0,8 aMT, seguita da uno stimolo di controllo suprathreshold a 1.2 AMT.
    1. Ripetere i punti da 5.1-5.4. In breve, posizionare gli elettrodi EMG sopra il muscolo FDI, sedile il partecipante in una sedia regolabile e confortevole e posizionare il braccio sinistro in una posizione confortevole e rilassata sotto il tavolo (cioè, sul piedino di sinistra). Trovare l'hotspot per TMS su M1.
    2. Impostare l'intensità sullo stimolatore, l'ISI 2,5 ms 36 e l'intervallo tra coppie e single-pulse TMS a 0,25 Hz.
    3. Dare il partecipante adeguate istruzioni (Vedi punto 4.2.2) per quanto riguarda la condizione (vale a dire se o EF). Ripetere le istruzioni prima di ogni serie.
    4. Avere i partecipanti eseguire quattro separati dito indice isometrica rapimenti (2 volte con ogni attenzione: EF e se) al 10% della Fmax e registra il segnale EMG degli investimenti diretti esteri. Durante la contrazione isometrica, registrare 20 stimoli TMS per ogni condizione (vale a dire, se ed EF) in un ordine controbilanciato.
      Nota: Un insieme di 20 stimoli deve essere composto 10 deputati condizionati (accoppiare-impulso a 0.8-1.2 aMT) e controllo 10 deputati (single-pulse presso aMT 1,2). Utilizzare la stessa intensità per ogni condizione (determinato al punto 5.5.2).
    5. Tra ogni serie, fare una pausa di un minimo di 5 min per ridurre al minimo eventuali pregiudizi che possono essere indotti da affaticamento.

6. Analisi ed elaborazione di dati

  1. SubTMS.
    1. Come spiegato sopra (passo 5.1.1.3), rettificare e media l'EMG per l'analisi.
    2. Rilevare l'insorgenza di soppressione subTMS-EMG (Vedi Figura 4).
      Nota: È definito come il momento in cui la differenza tra la media di tutte le prove con e quelle senza TMS è negativa per almeno 4 ms in una finestra temporale da 20-50 ms dopo la TMS.
    3. Per rilevare la fine di soppressione subTMS-EMG, definire il momento dopo l'inizio della soppressione (punto 6.1.2) quando la differenza tra la media di tutte le prove con e quelle senza TMS è positiva ancora per almeno 4 ms (vedere Figura 4a ).
    4. Calcolare la EMG indotta da subTMS come segue:
      EMG Diff = EMG senza – EMG con.
      1. Calcolare l'integrazione numerica trapezoidale cumulativo dall'inizio alla fine della soppressione di quantificare la quantità di soppressione di EMG indotta da subTMS.
  2. ppTMS.
    1. Uso la seguente formula per esprimere la grandezza di SICI come percentuale relativa al controllo MEP:
      100 – (condizionata MEP/controllo MEP × 100).
      1. Utilizzare i risultati come valori percentuali per l'analisi finale.
    2. Calcolare le ampiezze MEP di picco-picco (in mV; nelle condizioni EF e se) e confrontare le due condizioni in ultima analisi.
  3. EMG.
    1. Come sfondo EMG ha un'influenza sulla grandezza di deputati 37, determinare l'attività EMG calcolando il valore di root-mean-square in una finestra di 100 ms prima del TMS.

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Representative Results

L'influenza di Attentional fuochi sulle prestazioni del motore:

I test comportamentali in questo studio sono stati utilizzati per dimostrare la fattibilità del compito motorio e di identificare i soggetti che hanno reagito positivamente quando si applica un EF. In linea con precedenti studi (cfr.1 per una rassegna), i nostri risultati mostrano una TTF prolungata quando i partecipanti hanno adottato un EF rispetto a un'istruzione IF (Vedi Figura 3). Così, sembra che, durante un rapimento isometrica dito indice, l'efficienza del movimento può essere migliorata da un EF. McNevin e colleghi38 postulato il "ipotesi di azione vincolata" per spiegare gli effetti dei diversi fuochi di attenzione sulle prestazioni del motore e motore di apprendimento. Gli autori hanno postulati in loro ipotesi: che utilizza un EF migliora le prestazioni del motore attraverso la promozione di una maggiore automaticità nel controllo del movimento. Al contrario, l'adozione di un'istruzione IF è supposto per vincolare il sistema motorio, come viene utilizzato un tipo più cosciente del controllo motorio. Nonostante i ben noti vantaggi di utilizzare un EF rispetto a un'istruzione IF sulla prestazione del motore in generale1, restano comunque, scarsamente studiati i processi neurali sottostanti. Di conseguenza, la questione centrale rimane: determinare come l'efficienza maggiore movimento connesso con un EF rispetto a un'istruzione IF è controllata da un motore corticale punto di vista.

L'inibizione intracorticale e capacità motorie:

L'attività corticale è costituito delle interazioni tra meccanismi inibitori ed eccitatori all'interno di aree motorie del cervello24. Inoltre, la modulazione di questi processi sono essenziali per controllo motore39. Ad esempio, i bambini40,41,42 e43 di individui anziani mostrano ridotti livelli di inibizione intracorticale — contrariamente agli oggetti di sani, giovani — risultanti in ridotte capacità coordinativa. In generale, sembra che i processi inibitori intracorticali e le prestazioni del motore sono strettamente correlati, quando si considera diverse popolazioni. Inoltre, non solo tra i gruppi di età o di diverse popolazioni, ma anche all'interno di gruppi di età, la funzione di motore sembra essere fortemente alterato da corticospinali processi inibitori, come coordinamento interlimb17 o destrezza19. Pertanto, il livello di inibizione intracorticale entro la M1 sembra interessare le caratteristiche di controllo del motore in generale.

La misura e l'influenza di Attentional fuochi sull'inibizione intracorticale:

In un precedente studio del fMRI, Zentgraf e colleghe28 ha iniziato a indagare i correlati neurali associati con i fuochi attenzionali (cioè, EF contro se). I risultati hanno mostrato una maggiore attivazione in diverse aree del cervello — la M1, insulari e le cortecce somatosensoriale primarie — quando i soggetti hanno eseguito una sequenza di dito tastiera in una condizione di EF, piuttosto che una condizione IF. A parte la limitazione che diversi soggetti sono stati studiati in attività EF e se, rendendo impossibile, confronti diretti la tecnica fMRI non è in grado di distinguere tra attività neurale eccitatorie ed inibitorie29, come si usa sangue-tessuto intrinseca contrasta44. Pertanto, l'attivazione del cervello superiore trovata la M1 nella condizione di EF ha dimostrata in questo precedente di studio fMRI28 può derivare da attività aumentata di eccitatori o inibitori. Di conseguenza, la fMRI fornisce solo una stima riguardo l' attività neurale nel complesso29. Al contrario e in complemento alla fMRI, TMS possono dare informazioni circa la natura dell'attività avanzata, se è il risultato di attività eccitatoria o inibitoria. La ragione di questo è che la TMS applicata alla M1 a intensità sotto la soglia del motore attiva inibire uscita motore corticale, come la corticale interneuroni GABAergici inibitori hanno una soglia più bassa di TMS che i neuroni eccitatori27, 45 , 46 , 47 , 48. Inoltre, è stato indicato che TMS sotto la soglia del motore non provoca raffiche discendenti e, pertanto, non attivare strutture spinali23,27. In questo studio, abbiamo utilizzato due protocolli di TMS per misurare l'inibizione corticale all'interno di M1. Il primo utilizzato un protocollo di subTMS single-pulse, che induce una soppressione dell'attività EMG in corso. È stato proposto che l'inibizione dell'attività in corso di conduzione di fast corticospinale cellule si traduce in un subTMS-indotto EMG soppressione49.

Così, c'è una relazione tra l'eccitabilità dei circuiti intracorticali inibitori e la quantità di soppressione di EMG subTMS-indotta. In altre parole, un aumento di inibizione corticale all'interno dei risultati di M1 in più EMG soppressione18. Anche se non è così ampiamente utilizzato il protocollo di subTMS, eredita molti vantaggi rispetto ai protocolli usando gli stimoli suprathresold: in primo luogo, come la stimolazione non aggiunge ma piuttosto rimuove attività il volley corticospinal decrescente, gli effetti possono chiaramente essere attribuita per la corteccia motoria primaria, in quanto non vengono influenzate da circuiti spinali23,27. In secondo luogo, come intensità sottosoglia sono usati, contrazione muscolare in non indotto da stimolo, che può pregiudicare le prestazioni del motore. Utilizzando questa tecnica, abbiamo dimostrato che la soppressione di EMG subTMS-indotta è stata migliorata immediatamente utilizzando un EF rispetto a un'istruzione IF (vedere Figura 4 per risultati e analisi). In particolare, i nostri risultati hanno mostrato che l'attività dei circuiti intracorticali inibitori entro la M1 è modulata immediatamente quando sono adottati diversi focolai di attentional.

Un'altra possibilità più diffusa per misurare l'attività del motore interneuroni GABAergici consiste nell'applicare un paradigma di ppTMS con brevi intervalli di interstimulus sopra la M1 controlaterale. La stimolazione di accoppiare-impulso induce una riduzione dell'ampiezza del MEP, che viene chiamato il SICI e riflette l'attività degli inibitori GABAergici neuroni21,45,50.

Quando si adotta un EF, i partecipanti hanno mostrato più SICI (vedere la Figura 5 per risultati e analisi). Questo è perfettamente in linea con i risultati di subTMS e suggerisce che i neuroni GABAergici, che costituiscono i circuiti intracorticali inibitori51, sono modulati in modo diverso all'interno della M1 secondo il tipo di messa a fuoco dell'attenzione. Questo sarebbe in linea con ex ricerche che dimostrano che il M1 è sensibile a situazioni di attentional differenziale52. Inoltre, come una correlazione positiva tra il flusso sanguigno cerebrale nella corteccia motoria e la quantità di SICI è stata rivelata in un studio di tomografia a emissione di positroni53, i nostri risultati potrebbero supportare ulteriormente l'attività corticale avanzata all'interno della M1 che è stato trovato da Zentgraf e colleghi28. Infine, come i compiti motori e sfondo EMG prima stimolazione erano simili in entrambe le circostanze, essa è stata dedotta che istruzioni verbali che preveda la direzione dell'attenzione infatti hanno un principale modulatoria influenzano sull'attività dell'intracorticale neuroni inibitori proiettando per gli investimenti diretti esteri.

Figure 1
Figura 1. Corso di tempo dei quattro protocolli. R. lo scopo delle prime due sessioni (S1 e S2) è di confrontare il tempo di attività guasto (TTF) di un rapimento submassimale sostenuto del dito indice destro al 30% della Fmax tra un esterno (EF) e un fuoco interno dell'attenzione (IF). Durante la sessione EF, i soggetti sono invitati a concentrarsi sull'angolo di Goniometro (cioè, l'effetto di movimento), mentre durante la sessione di se, sono invitati a concentrarsi sul loro dito indice e muscolare (cioè, movimento del corpo). B. le sessioni di terza e quarta (S3 e S4) mirano a confrontare l'attività corticale dei circuiti intracorticali inibitori entro la M1 tra un EF un'istruzione IF. Ciò può essere ottenuto confrontando l'importo e la durata di sottosoglia TMS (subTMS) ha indotto la soppressione di EMG e confrontando la quantità di breve intervallo inibizione intracorticale (SICI) indotto da accoppiare-impulso TMS (ppTMS). Questa figura è stata adattata da Kuhn et al16. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2. Messa a punto sperimentale. A. 1. La bobina TMS è posizionata sopra la M1 controlaterale sopra la rappresentazione di mano. 2. fronte del partecipante e la bobina TMS sono montati con riflettente marcatori per controllare la posizione della bobina TMS rispetto al cranio. 3. la stecca ortopedica limita il movimento del polso e consente solo movimenti del dito indice. 4. EMG elettrodi sono posizionati in un montaggio di tendine-pancia sopra gli investimenti diretti esteri. 5. il goniometro calcola l'angolo del giunto metacarpophalangeal del dito indice. 6. il peso che rappresenta il 30% (S1 e S2) o il 10% (S3 e S4) di Fmax è attaccato alla fune. B. i movimenti del giunto metacarpophalangeal vengono visualizzati sullo schermo del computer inserito 1 m davanti al soggetto. Quando l'angolo è di 90°, la linea rossa visualizzata sullo schermo del computer è il più sottile. Appena il dito del partecipante si muove verso sinistra o verso destra, la linea rossa ottiene più spessa nella direzione corrispondente. Lo scopo del compito motorio è quello di mantenere la linea rossa sottile come possibile. Per misurare la Fmax (S1 e S2), il trasduttore di forza è posto (1) tale che i partecipanti possono spingere contro di esso (cioè, contrazione isometrica), mantenendo un costante angolo di 90 °. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3. Tempo di attività guasto (TTF) di contrazioni sostenute. La TTF è stato prolungato (approssimativamente da + 18%) quando i partecipanti (n = 14) adottato un esterno (EF) piuttosto che di un fuoco interno dell'attenzione (IF). * p < 0.05. Le barre di errore rappresentano SEM. Questa figura è stata adattata da Kuhn et al16. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4. Soppressione di EMG indotta da SubTMS. A.To acquisire le curve della media attività EMG durante la contrazione continua della destra prima dorsale interosseo (FDI) al 10% della Fmax, l'EMG rettificati (rettifica a onda intera) delle prove con subTMS viene sottratto da quello delle prove senza stimolazione. Le linee verticali rappresentano (1) l'inizio della soppressione di EMG indotta da subTMS e (2) la fine della soppressione di EMG subTMS-indotta. B. dati rappresentativi (n = 10) della quantità della soppressione di EMG subTMS-indotta. I dati sono ottenuti calcolando l'integrazione numerica trapezoidale cumulativo dall'inizio alla fine della soppressione (cioè, l'area negativa sotto ogni curva da 1 a 2 nella A). La quantità di soppressione di EMG subTMS-indotta è rafforzata quando un fuoco esterno (EF) piuttosto che un fuoco interno dell'attenzione (IF) è adottato. C. rappresentante dati (n = 10) della subTMS-indotto EMG soppressione durata da 1 a 2. Nessuna differenza significativa è stata trovata nella durata della soppressione, ma è più lungo con un EF. Così, è ragionevole supporre che la dimensione dell'effetto era troppo piccola per indurre una differenza significativa nel nostro campione di relativamente piccole dimensioni. p < 0,01. Le barre di errore rappresentano SEM. Questa figura è stata adattata da Kuhn et al16. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5. Breve intervallo inibizione intracorticale (SICI). A. il SICI è espresso come percentuale del controllo MEP in FDI applicando la seguente formula: 100 - (condizionata MEP / controllo MEP × 100). Il SICI è migliorato quando i partecipanti adottano un EF rispetto a un'istruzione IF. Ciò riflette una maggiore attivazione dei circuiti intracorticali inibitori. B. come l'ampiezza del controllo MEP ha un'influenza sulla dimensione del deputato condizionato, il controllo i deputati a 1,2 ampiezze di picco-picco di aMT deve essere confrontato fra le due circostanze (cioè, EF contro se). p < 0,01. Le barre di errore rappresentano SEM. Questa figura è stata adattata da Kuhn et al16. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura./ p >

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Discussion

Questo protocollo indica due possibili metodi per studiare l'attività dei circuiti inibitori entro la M1 mediante TMS. Più precisamente, questi due protocolli sono stati utilizzati in questo studio per indagare l'impatto di attentional fuochi sull'attività dei circuiti inibitori all'interno della M1.

Una limitazione del metodo presentato è che non è sempre possibile causare una soppressione di EMG subTMS-indotta senza una facilitazione che lo precede. In questo studio, ad esempio, quattro soggetti dovevano essere rimossi dall'analisi finale, come non hanno mostrato alcuna soppressione di EMG coerenza indotta da subTMS. Tuttavia, questo metodo di stimolazione cerebrale non invasiva è ben accettato per misurare e quantificare l'attività dei circuiti intracorticali inibitori entro le M132,34. Un'altra limitazione di questo studio è che non si può escludere che le differenze tra i fuochi dell'attenzione delineato da subTMS e ppTMS si basano su aree cerebrali a Monte la M1. Nonostante il fatto che entrambi i metodi sono presupposti per testare la reattività di intracortical GABA interneuroni inibitori23,27, non c'è correlazione tra la quantità di soppressione di EMG subTMS-indotta e la quantità di SICI 16; sono necessarie ulteriori indagini.

Inoltre, è importante utilizzare una resistenza alla luce (10% della Fmax) durante i protocolli TMS, per condurre l'esperimento di subTMS in sessioni separate (pausa di 72 h ≥) e per randomizzare le condizioni. Il motivo principale è che fatica può influenzare l'entità del subTMS-indotto EMG soppressione32 e il livello di SICI54, che significa che l'effetto principale di attenzione potrebbe essere prevenuto dalla fatica. Durante un compito faticoso, una serie di meccanismi periferici, subcorticali e corticali può anche giocare un ruolo cruciale in termini di prestazioni. Inoltre, è importante utilizzare un sistema di neuronavigazione, come la bobina TMS deve trovarsi nello stesso posto prima di ogni prova. Inoltre, questo sistema permette lo sperimentatore controllare la posizione della bobina in qualsiasi momento durante l'intero esperimento.

Il risultato principale di questo studio è che inibizione corticale entro la M1 può essere influenzata istantaneamente nello stesso soggetto secondo il focus attentivo adottato durante l'esecuzione di motore. Come processi inibitori sembrano essere strettamente correlata alla qualità di esecuzione motore in generale, i nostri risultati potrebbero spiegare a livello neurale la maggiore efficienza di un EF rispetto a un'istruzione IF. Può essere ipotizzato che l'aumento del livello di inibizione durante EF evita inutili co- attività e conduce ad un'attivazione più focale, causando l'esecuzione di un motore più efficiente. In questo modo, i nostri risultati potrebbero costituire uno dei meccanismi sottostanti il "ipotesi di azione vincolata". Inoltre, questo protocollo è il primo a mostrare come applicare subTMS e ppTMS per gli stessi partecipanti usando un disegno di ripetere-misure. Inoltre, nonostante il fatto che un gran numero di studi dimostrano che l'adozione di un EF rispetto a un'istruzione IF promuove le prestazioni del motore e apprendimento in numerose impostazioni1, solo pochissimi indagare i meccanismi neurali sottostanti quando diversi attenzionali situazioni stipulati attraverso istruzioni verbali sono adottati16,28,55.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Gli autori non hanno nessun ringraziamenti.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
MC3A-100 Advanced Mechanical Technologies Inc., Watertown, MA, USA - Force transducer
BlueSensor P Ambu A/S, Bellerup, Denmark - Ag/AgCl surface electrodes for EMG
Polaris Spectra Northern Digital, Waterloo, ON, Canada - neuronavigation system, active or passive markers tracker
Localite TMS Navigator Version 2.0.5 LOCALITE GmbH, Sankt Augustin, Germany - navigation system for transcranial magnetic stimulation (TMS)
MagVenture MagPro X100 MagVenture A/S, Farum, Denmark 9016E0711 Transcranial magnetic stimulator
MagVenture D-B80 MagVenture A/S, Farum, Denmark 9016E0431 TMS coil (figure of eight)
Goniometer N/A - Custom-made goniometer
Othopedic splint N/A - Custom-made splint
Recording software LabView based - Custom-made script

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