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Neurowissenschaften

Online-transkranielle Magnetstimulation Protokoll zur Messung der kortikalen Physiologie Reaktion Hemmung zugeordnet

Published: February 08, 2018
doi:
10.3791/56789
, , , , , ,
1College of Medicine,University of Cincinnati, 2Division of Neurology,Cincinnati Children’s Hospital Medical Center, 3Division of Psychiatry,Cincinnati Children’s Hospital Medical Center, 4Center for Neurodevelopmental and Imaging Research,Kennedy Krieger Institute

Summary

Wir beschreiben ein experimentelles Verfahren um Erregbarkeit und Hemmung der primären motorischen Kortex während eine motorische Reaktion Hemmung Aufgabe mithilfe Transcranial magnetische Anregung im Laufe einer Stop-Signal Aufgabe zu quantifizieren.

Abstract

Wir beschreiben die Entwicklung einer reproduzierbaren, kinderfreundliche motorische Reaktion Hemmung Aufgabe geeignet für Online-Transcranial magnetische Anregung (TMS) Charakterisierung von primären motorischen Kortex (M1) Erregbarkeit und Hemmung. Motorische Reaktion Hemmung verhindert ungewollte Aktionen und ist abnormal in mehreren neuropsychiatrischen Bedingungen. TMS ist eine nicht-invasive Technologie, die kann quantifizieren M1 Erregbarkeit und Hemmung mit Einzel – und gepaart-Puls-Protokolle und kann genau zeitlich festgelegt, kortikale Physiologie mit hoher zeitlicher Auflösung zu studieren. Änderungen haben wir die ursprüngliche Slater-Hammel (S-H) Stop Signal Aufgabe um eine “Rennwagen” Version mit TMS Impulsen Zeit gesperrt, um Intra trial Veranstaltungen erstellen. Diese Aufgabe ist Selbststudium, mit jeder Prozeß Einleitung nach Tastendruck die Rennwagen auf die 800 ms Ziel zu bewegen. GEHEN Studien erfordern eine Finger-Lift, die Rennwagen kurz vor diesem Ziel zu stoppen. Nach dem Zufallsprinzip eingestreut sind STOP Studien (25 %) während die dynamisch angepasste Stopp-Signal werden, Themen aufgefordert, Finger-Lift zu verhindern. Für GO Studien lieferten TMS Impulse bei 650 ms nach Testversion einsetzen; in der Erwägung, dass die TMS-Impulse für STOP Studien, 150 ms nach dem Stoppsignal aufgetreten. Die Zeiten der TMS Impulse wurden basierend auf Elektroenzephalographie (EEG) Studien, die zeigen veranstaltungsbezogene Änderungen in diesen Zeiträumen während Stop-Signal Aufgaben festgelegt. Diese Aufgabe wurde in 3 Blöcken an zwei Studienzentren untersucht (n = 38) und wir nahmen Verhaltens Leistung und veranstaltungsbezogenen Motor-evozierten Potentialen (MEP). Regression Modellierung wurde zum Analysieren der MEP Amplituden mit Alter als Kovariate mit mehreren unabhängigen Variablen (sex, studieren, Website, Block, TMS Impuls Zustand [Einzel-vs. gepaart-Puls], Test Bedingung [GO, erfolgreiche STOP Fehler STOP]). Die Analyse zeigte, dass TMS Zustand Puls (p < 0,0001) und seine Wechselwirkung mit Testversion Zustand (p = 0.009) waren signifikant. Zukünftige Anwendungen für dieses Online-S-H/TMS-Paradigma gehören die Zugabe von gleichzeitigen Erwerb des EEG, EEG TMS-evozierten Potentiale zu messen. Eine mögliche Einschränkung ist, dass bei Kindern, der TMS-Puls-Sound Verhaltens Aufgabenleistung beeinträchtigen könnten.

Introduction

Hemmung der Reaktion ist die Möglichkeit, selektiv diese ungewollten Aktionen zu verhindern, dass die beabsichtigte Handlungsziele beeinträchtigen können. 1 Cortico-striatalen Netzwerk kritisch Reaktion Hemmung, engagiert sich in die schrittweise wird effizienter als ältere Kinder aber ist in zahlreichen neuropsychiatric Bedingungen beeinträchtigt, wie Aufmerksamkeits-Defizit-Hyperaktivitäts-Störung) (ADHS), Störungen, Zwangsstörungen und Schizophrenie zu lernen. 2 , 3 Motor Reaktion Hemmung kann mit unterschiedlichen Verhaltens Paradigmen wie Go/NoGo (GNG) und Stop Signal Aufgaben (SST) untersucht werden. 1 , 4 Verhaltensdaten allein bietet keine Informationen über potentiell modifizierbar, messbare biologische Mechanismen. Das übergeordnete Ziel in der vorliegenden Studie war eine Kind freundlich Methode zur motorischen Kortex Physiologie während der Ausführung der Reaktion Hemmung, Evaluierung, um ein Gehirn-basierte quantitative Biomarker für das neuronale Substrat dieser Aufgabe entwickeln zu entwickeln. Diese Biomarker könnte breite Anwendung in vorausschauende Studien zur Prognose und Behandlung von neurologischen Erkrankungen haben.

Zu diesem Zweck die Ermittler ausgewählt und modifiziert die Slater-Hammel (S-H) Aufgabe5. Dies ist ein Stop-Signal-Aufgabe, die Teilnehmer um eine selbsterstellte vorprogrammierte Aktion hemmen erfordert. Diese self-paced Aufgabe besteht aus GO und STOP-Studien. GEHEN Studien sind durch den Gegenstand drücken und Druck auf eine Taste, mit der Anweisung, die Finger von der Taste (d. h. GO Aktion) heben Sie so nah an, aber vor dem Ziel 800 ms eingeleitet. Das ursprüngliche Paradigma ist Zeit auf einer Uhr mit einem schnell rotierenden Hand angedeutet. STOP-Studien sind nach dem Zufallsprinzip unter GO Studien, bei denen muss die Person die vorgeplante GO-Aktion hemmen, durchsetzt (d. h. zu verhindern, dass Finger heben). Die Stop-Signal-Aufgabe ist schwieriger, weil Themen haben, eine Antwort im Zusammenhang mit einer vorprogrammierten GO-Signal zu hemmen, während im GNG Aufgabe, die Entscheidung ist, ob zu initiieren oder eine Aktion mit keine vorherige Befehle nicht initiieren. 6 im übrigen ist es möglicherweise genauer zu untersuchen, Reaktion Hemmung mit Stop Signal Aufgaben, da in der Aufgabe GNG konsistente Zusammenhänge zwischen Signal und Antworten automatische Hemmung führen können. 7 automatische Hemmung ist die Theorie, dass einheitliche Zuordnung zwischen Signal und Reaktion (d.h. GO-Signal immer ergibt sich in einer GO-Antwort und umgekehrt) führt eine automatische Verarbeitung im Laufe des Experiments so, dass die STOP-Studien teilweise bearbeitet Speicher abrufen und bestimmte executive Kontrollen umgeht. 8 , 9

Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine nicht-invasive Technologie, die verwendet werden kann, kortikale Physiologie zu messen. Mit Einzel- und gepaart-Puls Stimulation Paradigmen, kann eine kortikale Erregbarkeit und Hemmung quantifizieren. Obwohl die meisten Studien von TMS kortikale Physiologie in Ruhe untersuchen, haben einige Gruppen untersucht kortikale Erregbarkeit/Hemmung während mentale Vorbereitung für Aktion10 und kognitive Zustände, die im Motor widergespiegelt werden können Kortex Physiologie. 11 , 12 , 13 , 14 dieser funktionale TMS (fTMS) Ansatz erfordert Online-TMS-Messungen während Teilnehmer Verhaltens Aufgaben durchführen, wodurch eine Sonde kortikale Veränderungen, sind Zustand-abhängige mit hoher zeitlicher Auflösung. Bereitstellung von Echtzeit-Informationen über neurophysiologische Veränderungen in einer solchen Weise erweitert die physiologische Untersuchung der Motorsteuerung15,16 und neuropsychiatrischen Bedingungen17,18, 19,20.

Vorherige fTMS Studien haben kortikale Mechanismen der Hemmung der Reaktion bei gesunden Erwachsenen mit GNG14 und SST Aufgaben15,16,21untersucht. Darüber hinaus zeigte eine Studie, dass eine einzelne Dosis von Methylphenidat motor kortikale Physiologie des gesunden Erwachsenen während eines Experiments fTMS/GNG verändert. 22 bis heute gibt es zwei Gruppen, die pädiatrische fTMS Studien mit GNG Aufgabe kortikale Physiologie der ADHS23 und Tourette-Syndrom17charakterisieren veröffentlicht haben. Derzeit gibt es keine veröffentlichten fTMS Studie mit SST in der pädiatrischen Population.

Ein kritisches Thema in fTMS Studien, viel stärker als Rest-allein TMS Studien ist Muskel-Artefakt. Standardisierte Oberfläche Elektromyographie (EMG) Maßnahmen der Amplitude und Latenz von Motor-evozierten Potentialen (MEP) müssen durch Muskel-Artefakt nicht kontaminiert werden. Also, müssen beispielsweise um kortikale Veränderungen in der Vorbereitung für eine Bewegung in einer Reaktionszeit-Studie zu untersuchen, TMS Impulse genau zeitlich werden nach dem GO-Signal aber vor individueller Reaktion auftreten. Jede Aufgabe ist es somit wichtig, um sicherzustellen, dass TMS Impulse zu einem Zeitpunkt auftreten wenn die motorische Reaktion noch nicht begonnen hat, und dass die Teilnehmer bequem und in der Lage, die relevanten Muskelmasse in Ruhe ist. Dies kann mit hyperkinetischen Kindern besonders problematisch sein, die überflüssige Bewegungen natürlich haben und wer kann ihren Arm und Hand angespannt in eine Reaktionszeit Spiel behalten.

Das Ziel der vorliegenden Studie ist eine Version des Slater-Hammel SST entwickeln, kinderfreundlich und geeignet für das Studium der primären motorischen Kortex (M1) Physiologie ist. Diese Aufgabe sollte für Kinder, 2) relativ einfach, für Kinder und 3) kompatibel mit Online-TMS abzuschließen (1) leicht verständlich sein.

Protocol

Dieses Protokoll wurde von den Cincinnati Children Hospital Medical Center genehmigt und Johns Hopkins institutionelle Review Boards als ein minimales Risiko bei Kindern und Erwachsenen zu studieren. Einzel- und gepaart-Puls TMS gilt als sicher, bei Kindern 2 Jahre und älter pro internationale Experten Konsens. 24 nach der Erläuterung der potenziellen Risiken von TMS für Eltern/Erziehungsberechtigten und Teilnehmer, die Einwilligung und Zustimmung Formulare unterschrieben sind, wenn sie einvers…

Representative Results

Regressionsanalyse erfolgt mit Hilfe einer kommerziellen Statistiksoftware, um Verhaltens- und neurophysiologische Daten separat zu analysieren. Die repräsentativen Daten ist von 23 in der Regel Kinder von Cincinnati und 15 aus Baltimore (25 männlich, 13 weiblich) zu entwickeln. Alter nicht unterscheiden zwischen Website (10,3 ± 1,3 Jahre für Cincinnati und 10,4 ± 1,2 Jahre für Baltimore; t-Test p = 0.74) Wir haben ein Reg…

Discussion

Dieses Protokoll ist eine neuartige Methode der kinderfreundlichen ein Stopp-Signal Aufgabe und TMS veranstaltungsbezogenen kortikalen Hemmung untersuchen zu verbinden. Klinischer Beobachtung der motorischen hemmende Defizite und schlechte Leistung in Stop Signal Aufgaben in zahlreichen neuropsychiatric Bedingungen nachgewiesen. 3 relativ wenige Ermittler haben Online-fTMS verwendet, kortikale Erregbarkeit und Hemmung während der Reaktion Hemmung Aufgaben zu prüfen. Einige Gruppen haben erfolgre…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Studie wurde vom National Institute of Mental Health (R01MH095014) finanziert.

Materials

Precision Gamepad Logitech G-UG15
Acquisition Interface Model ACQ-16 Gould Instrument Systems Inc ACQ-16
Micro1401-3 Data Acquisition Unit Cambridge Electronic Design Ltd Not applicable
Signal version 6 software (Windows) Cambridge Electronic Design Ltd Not applicable
Power base Coulbourn Instruments V15-17
Bioamplifier with filters Coulbourn Instruments V75-04
Conductor electrode cables (for surface EMG) Coulbourn Instruments V91-33
2002 TMS device The Magstim Company Ltd Not applicable
BiStim2 module The Magstim Company Ltd Not applicable
90mm circular TMS coil The Magstim Company Ltd Not applicable
Presentation software (Windows) Neurobehavioral Systems Inc Not applicable
Windows computer Not applicable
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Referenzen

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Keywords: Transcranial Magnetic StimulationTMSMotor CortexResponse InhibitionMotor ControlPediatric Movement DisordersADHDAutismFirst Dorsal Interosseous MuscleFDISlater-Hammel TaskMotor PhysiologyCortical ExcitabilityCortical Inhibition
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Guthrie, M. D., Gilbert, D. L., Huddleston, D. A., Pedapati, E. V., Horn, P. S., Mostofsky, S. H., Wu, S. W. Online Transcranial Magnetic Stimulation Protocol for Measuring Cortical Physiology Associated with Response Inhibition. J. Vis. Exp. (132), e56789, doi:10.3791/56789 (2018).
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