Kortikal Fizyoloji yanıt inhibisyonu ile ilgili ölçmek için online Transkraniyal manyetik stimülasyon Protokolü
Summary
Biz bir Stop sinyal görev boyunca Transkraniyal manyetik stimülasyon kullanılarak uyarılabilirlik ve birincil motor korteks inhibisyonu bir motor yanıt inhibisyon görev sırasında ölçmek için deneysel bir işlem açıklanmaktadır.
Abstract
Biz online Transkraniyal manyetik stimülasyon (TMS) karakterizasyonu birincil motor korteks (M1) uyarılabilirlik ve inhibisyon için uygun bir tekrarlanabilir, çocuklara motor yanıt inhibisyon görev gelişimini açıklar. Motor yanıt inhibisyonu istenmeyen eylemler engeller ve birkaç nöropsikiyatrik koşullarda anormal bir şey. TMS M1 uyarılabilirlik ve inhibisyon tek ve eşleştirilmiş-Pulse’tan protokolleri kullanarak ölçmek ve tam olarak kortikal Fizyoloji yüksek zamansal çözünürlük ile çalışmaya zamanlı non-invaziv bir teknolojidir. Biz bir “yarış arabası” sürüm TMS darbeleri ile zaman kilitli intra deneme için olayları oluşturmak için özgün Slater-Hammel (S-H) stop sinyal görevi değiştiren. Bu görev, her deneme sonra yarış arabası 800 ms hedefine doğru taşımak için bir düğmeye itme başlatmak ile kendi kendine öğreten. Denemeler gerektirir yarış arabası bu hedef hemen önce durdurmak için bir parmak Asansör gidin. Rastgele serpiştirilmiş sırasında dinamik olarak ayarlanan stop sinyali konular parmak kaldırma önlemek için ister STOP denemeler (% 25) vardır. GO turnuvası için TMS bakliyat 650 ms sonra deneme başlangıçlı teslim edildi; Oysa için STOP denemeler, TMS bakliyat 150 ms sonra stop sinyali oluştu. TMS bakliyat zamanlamaları tabanlı olay ile ilgili değişiklikler bu zaman aralıklara stop sinyal görevleri sırasında gösterilen elektroansefalografi (EEG) çalışmalar karar. Bu görevi iki çalışma sitelerde 3 bloklar halinde incelenmiştir (n = 38) ve biz davranış performans ve olay motor uyarılmış potansiyeller (MEP) kaydedildi. Regresyon modelleme MEP genlikleri yaş bir covariate ile birden fazla bağımsız değişken olarak kullanarak çözümlemek için kullanılan (sex, eğitim sitesi, blok, TMS darbe durumu [git, başarılı STOP, STOP başarısız] [tek-çifte darbe vs], deneme durum). TMS koşulu darbe analizi gösterdi (p < 0,0001) ve deneme koşulu ile etkileşimi (p = 0,009) anlamlıdır. Bu online S-H/TMS paradigma için gelecekteki başvurular EEG TMS uyarılmış potansiyeller ölçmek için eşzamanlı EEG edinme ilavesi dahil. Çocuklarda, TMS darbe ses davranış görev performansı etkileyebilecek bir potansiyel kısıtlamadır.
Introduction
Yanıt inhibisyon seçmeli olarak amaçlanan fonksiyonel hedefleri ile etkileyebilir bu istenmeyen eylemler önlemek için yeteneğidir. 1 kortiko-striatal ağ eleştirel kademeli çocuk olgun daha verimli hale gelir ama dikkat eksikliği hiperaktivite bozukluğu () gibi çok sayıda nöropsikiyatrik koşullarda engelliler yanıt inhibisyon içinde ilgilenmektedir DEHB), öğrenme bozukluğu, obsesif kompulsif bozukluk ve şizofreni. 2 , 3 motor yanıt inhibisyon Go/NoGo (GNG) ve Stop sinyal görevler (SST) gibi farklı davranış paradigmaları ile incelenebilir. 1 , 4 davranış veri tek başına potansiyel olarak değiştirilebilir, ölçülebilir biyolojik mekanizmaları hakkında bilgi sağlar. Bu görevin sinirsel substrat, beyin tabanlı nicel biyomarker geliştirmek için yanıt inhibisyon, yürütme sırasında motor korteks fizyolojisi değerlendirmek için bir çocuk dostu yöntem geliştirmek için mevcut çalışmada kapsamlı hedefi oldu. Bu tür biyolojik prognoz tahmini çalışmaları veya neurobehavioral bozuklukları tedavisinde geniş uygulama olabilir.
Bu amaçla, müfettişlerin seçili ve Slater-Hammel (S-H) görev5değiştirilebilir. Katılımcılar bir dahili olarak oluşturulan önceden programlanmış eylem inhibe gerektiren bir stop sinyal görevi bu. Kendi kendine öğreten bu görevi git ve dur denemelerin oluşur. Git denemeler tuşuna basarak ve bir düğme ile kapama düğmesi (yani git eylem) olarak kapatmak için parmağını öğretim ama 800 ms hedef önce baskıyı korumak konuya göre başlatılır. Özgün paradigmada, zaman hızla dönen bir el ile bir saat belirtilir. STOP denemeler rastgele sırasında kişi önceden planlanmış git eylem inhibe gerekir gitmek denemeler arasında serpiştirilmiş bulunmaktadır (yani parmak kaldırma önlemek). Stop sinyal görev daha zor çünkü GNG görev, başlatmak veya önceden hiçbir komutları ile bir eylem başlatmak değil karar ise bir yanıt önceden programlanmış bir GO sinyal bağlamında etkisizleştirmek konulara sahip. 6 Ayrıca, GNG görevde, sinyal ve yanıt arasında tutarlı korelasyon otomatik inhibisyon neden olabilir çünkü stop sinyal görevleri’ni kullanarak yanıt inhibisyon araştırmak için daha doğru olabilir. 7 otomatik inhibisyon sinyal ve yanıt arasında eşleme bu tutarlı teori (yani GO sinyal her zaman git yanıt ve tersi olur) durağı denemeler vardır öyle ki otomatik deneme ders boyunca ciddi bir işlem ek için yol açar kısmen hafızanın geri getirilmesi işlenen ve belirli yönetim denetimleri atlar. 8 , 9
Transkraniyal manyetik stimülasyon (TMS) kortikal Fizyoloji ölçmek için kullanılan non-invaziv bir teknolojidir. Tek ve çift-Pulse’tan stimülasyon paradigmalar kullanılarak, bir kortikal uyarılabilirlik ve inhibisyon ölçmek. Her ne kadar rahat kortikal fizyolojisi en yayımlanmış TMS çalışmalar araştırmak, bazı gruplar kortikal uyarılabilirlik/inhibisyon eylem10 zihinsel hazırlığı ve motor yansıyan farklı bilişsel Birleşik sırasında inceledik korteks fizyolojisi. 11 , 12 , 13 , 14 katılımcı davranış görevleri gerçekleştirirken bu fonksiyonel TMS (mutlu) yaklaşım online TMS ölçümleri gerektirir, böylece bir sonda kortikal izin değişiklikleri olan devlet yüksek zamansal çözünürlük ile bağlı. Böyle bir şekilde neurophysiologic değişiklikler üzerinde gerçek zamanlı bilgi veren motor kontrol15,16 ve nöropsikiyatrik koşulları17,18fizyolojik incelenmesi genişletiyor, 19,20.
Önceki mutlu çalışmalar yanıt inhibisyon GNG14 ve SST görevleri15,16,21kullanarak sağlıklı erişkinlerde kortikal mekanizmaları incelemiş bulunuyoruz. Ayrıca, bir çalışma Metifenol tek bir doz mutlu/GNG deney sırasında sağlıklı yetişkinlerin motor kortikal fizyolojisi değişen gösterdi. 22 bugüne kadar Pediatrik mutlu çalışmalar DEHB23 ve Tourette sendromu17kortikal fizyolojisi karakterize etmek için GNG görev kullanarak yayımlanan iki grubu vardır. SST Pediatrik popülasyonda kullanan hiçbir yayımlanmış mutlu çalışma şu anda.
Geri kalan yalnız TMS çalışmalar, daha çok daha büyük bir ölçüde mutlu çalışmalarda kritik bir sorunu kas eserdir. Genlik ve gecikme motor uyarılmış potansiyeller (MEP) üzerinden standart yüzey Elektromiyografi (EMG) önlemler kas yapı tarafından kontamine değil. Yani, örneğin, bir reaksiyon süresi çalışma içinde bir hareket için hazırlık kortikal değişiklikleri çalışma, TMS bakliyat tam bir GO sinyal sonra ancak bireyin reaksiyon süresi önce gerçekleşmesi için zaman aşımına uğradı gerekir. Böylece herhangi bir görev, TMS bakliyat vasıl a zaman ne zaman motor yanıt henüz başlamamış çikan ve katılımcı konforlu ve rahat ilgili kas korumak mümkün olduğunu emin olmak önemlidir. Bu kim doğal olarak yabancı hareketleri olabilir ve kim onların kol ve tepki süresi gerildi el oyun devam edebilir Hiperkinetik çocukların son derece sorunlu olabilir.
Bu da çalışmanın amacı çocuklara ve birincil motor korteks (M1) fizyolojisi eğitimi için uygundur Slater-Hammel SST sürümü geliştirmektir. Bu görev, çocuk 3) ile ve uyumlu online TMS 2) nispeten kolayca çocuklar için 1) kolayca anlaşılabilir olmalıdır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu iletişim kuralı, bir stop sinyal görev ve TMS kortikal inhibisyon olay-ilişkili incelemek için birleştirme bir roman çocuklara yöntemidir. Motor inhibitör açıkları ve performansının stop sinyal görevleri’nde klinik gözlem çok sayıda nöropsikiyatrik koşullarda gösterdi. 3 görece az sayıda müfettişler online mutlu kortikal uyarılabilirlik ve inhibisyon yanıt inhibisyon görevleri sırasında incelemek için kullandık. Bazı gruplar başarıyla TMS GNG görev sırasınd…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışmada Ulusal Akıl Sağlığı Enstitüsü tarafından (R01MH095014) finanse edildi.
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 |
Referencias
- Mostofsky, S. H., Simmonds, D. J. Response inhibition and response selection: two sides of the same coin. J Cogn Neurosci. 20 (5), 751-761 (2008).
- Barkley, R. A. Response inhibition in attention-deficit hyperactivity disorder. Ment Retard Dev Disabil Res Rev. 5 (3), 177-184 (1999).
- Lipszyc, J., Schachar, R. Inhibitory control and psychopathology: a meta-analysis of studies using the stop signal task. J Int Neuropsychol Soc. 16 (6), 1064-1076 (2010).
- Verbruggen, F., Logan, G. D. Models of response inhibition in the stop-signal and stop-change paradigms. Neurosci Biobehav Rev. 33 (5), 647-661 (2009).
- Slater-Hammel, A. T. Reliability, accuracy, refractoriness of a transit reaction. Research Quarterly. 31 (2), 217-228 (1960).
- Johnstone, S. J., et al. The development of stop-signal and Go/Nogo response inhibition in children aged 7-12 years: performance and event-related potential indices. Int J Psychophysiol. 63 (1), 25-38 (2007).
- Verbruggen, F., Logan, G. D. Automatic and controlled response inhibition: associative learning in the go/no-go and stop-signal paradigms. J Exp Psychol Gen. 137 (4), 649-672 (2008).
- Logan, G. D. Toward an instance theory of automatization. Psychol Rev. 95 (4), 492-527 (1988).
- Schneider, W., Shiffrin, R. M. Controlled and Automatic Human Information Processing: I. Detection, Search, and Attention. Psychol Rev. 84 (1), 1-66 (1977).
- Chen, R., Yaseen, Z., Cohen, L. G., Hallett, M. Time course of corticospinal excitability in reaction time and self-paced movements. Ann Neurol. 44 (3), 317-325 (1998).
- Yamanaka, K., et al. Human cortical activities during Go/NoGo tasks with opposite motor control paradigms. Exp Brain Res. 142 (3), 301-307 (2002).
- Majid, D. S., Cai, W., George, J. S., Verbruggen, F., Aron, A. R. Transcranial magnetic stimulation reveals dissociable mechanisms for global versus selective corticomotor suppression underlying the stopping of action. Cereb Cortex. 22 (2), 363-371 (2012).
- Majid, D. S., Lewis, C., Aron, A. R. Training voluntary motor suppression with real-time feedback of motor evoked potentials. J Neurophysiol. 113 (9), 3446-3452 (2015).
- Fujiyama, H., Tandonnet, C., Summers, J. J. Age-related differences in corticospinal excitability during a Go/NoGo task. Psychophysiology. 48 (10), 1448-1455 (2011).
- van den Wildenberg, W. P., et al. Mechanisms and dynamics of cortical motor inhibition in the stop-signal paradigm: a TMS study. J Cogn Neurosci. 22 (2), 225-239 (2010).
- Coxon, J. P., Stinear, C. M., Byblow, W. D. Intracortical inhibition during volitional inhibition of prepared action. J Neurophysiol. 95 (6), 3371-3383 (2006).
- Draper, A., Jude, L., Jackson, G. M., Jackson, S. R. Motor excitability during movement preparation in Tourette syndrome. J Neuropsychol. , (2013).
- Heise, K. F., et al. Altered modulation of intracortical excitability during movement preparation in Gilles de la Tourette syndrome. Brain. 133 (2), 580-590 (2010).
- Gilbert, D. L., Isaacs, K. M., Augusta, M., Macneil, L. K., Mostofsky, S. H. Motor cortex inhibition: a marker of ADHD behavior and motor development in children. Neurology. 76 (7), 615-621 (2011).
- Wu, S. W., Gilbert, D. L., Shahana, N., Huddleston, D. A., Mostofsky, S. H. Transcranial magnetic stimulation measures in attention-deficit/hyperactivity disorder. Pediatr Neurol. 47 (3), 177-185 (2012).
- Chiu, Y. C., Aron, A. R., Verbruggen, F. Response suppression by automatic retrieval of stimulus-stop association: evidence from transcranial magnetic stimulation. J Cogn Neurosci. 24 (9), 1908-1918 (2012).
- Kratz, O., et al. Effects of methylphenidate on motor system excitability in a response inhibition task. Behav Brain Funct. 5, 12 (2009).
- Hoegl, T., et al. Time course analysis of motor excitability in a response inhibition task according to the level of hyperactivity and impulsivity in children with ADHD. PLoS One. 7 (9), e46066 (2012).
- Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin Neurophysiol. 120 (12), 2008-2039 (2009).
- Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Screening questionnaire before TMS: an update. Clin Neurophysiol. 122 (8), 1686 (2011).
- Mills, K. R., Nithi, K. A. Corticomotor threshold to magnetic stimulation: normal values and repeatability. Muscle & Nerve. 20 (5), 570-576 (1997).
- Goldsworthy, M. R., Hordacre, B., Ridding, M. C. Minimum number of trials required for within- and between-session reliability of TMS measures of corticospinal excitability. Neurociencias. 320, 205-209 (2016).
- Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. J Physiol. 471, 501-519 (1993).
- Orth, M., Snijders, A. H., Rothwell, J. C. The variability of intracortical inhibition and facilitation. Clin Neurophysiol. 114 (12), 2362-2369 (2003).
- Ziemann, U. TMS and drugs. Clin Neurophysiol. 115 (8), 1717-1729 (2004).
- Sommer, M., Classen, J., Cohen, L. G., Hallett, M. Time course of determination of movement direction in the reaction time task in humans. J Neurophysiol. 86 (3), 1195-1201 (2001).
- Leocani, L., Cohen, L. G., Wassermann, E. M., Ikoma, K., Hallett, M. Human corticospinal excitability evaluated with transcranial magnetic stimulation during different reaction time paradigms. Brain. 123 (Pt 6), 1161-1173 (2000).
- Garvey, M. A., et al. Cortical correlates of neuromotor development in healthy children. Clin Neurophysiol. 114 (9), 1662-1670 (2003).
- Draper, A., Jude, L., Jackson, G. M., Jackson, S. R. Motor excitability during movement preparation in Tourette syndrome. J Neuropsychol. 9 (1), 33-44 (2015).
- Wessel, J. R. Prepotent motor activity and inhibitory control demands in different variants of the go/no-go paradigm. Psychophysiology. , (2017).
- Garavan, H., Ross, T. J., Stein, E. A. Right hemispheric dominance of inhibitory control: an event-related functional MRI study. Proc Natl Acad Sci U S A. 96 (14), 8301-8306 (1999).
- Garry, M. I., Thomson, R. H. The effect of test TMS intensity on short-interval intracortical inhibition in different excitability states. Exp Brain Res. 193 (2), 267-274 (2009).
- Chen, R., et al. Intracortical inhibition and facilitation in different representations of the human motor cortex. J Neurophysiol. 80 (6), 2870-2881 (1998).
- van der Kamp, W., Zwinderman, A. H., Ferrari, M. D., van Dijk, J. G. Cortical excitability and response variability of transcranial magnetic stimulation. J Clin Neurophysiol. 13 (2), 164-171 (1996).
- Williams, J., Pearce, A. J., Loporto, M., Morris, T., Holmes, P. S. The relationship between corticospinal excitability during motor imagery and motor imagery ability. Behav Brain Res. 226 (2), 369-375 (2012).
- Roshan, L., Paradiso, G. O., Chen, R. Two phases of short-interval intracortical inhibition. Exp Brain Res. 151 (3), 330-337 (2003).
- Sanger, T. D., Garg, R. R., Chen, R. Interactions between two different inhibitory systems in the human motor cortex. J Physiol. 530 (Pt 2), 307-317 (2001).
- Picazio, S., Ponzo, V., Koch, G. Cerebellar Control on Prefrontal-Motor Connectivity During Movement Inhibition. Cerebellum. 15 (6), 680-687 (2016).
- Picazio, S., et al. Prefrontal control over motor cortex cycles at beta frequency during movement inhibition. Curr Biol. 24 (24), 2940-2945 (2014).
- Obeso, I., et al. Stimulation of the pre-SMA influences cerebral blood flow in frontal areas involved with inhibitory control of action. Brain Stimul. 6 (5), 769-776 (2013).
- Ficarella, S. C., Battelli, L. The critical role of the dorsal fronto-median cortex in voluntary action inhibition: A TMS study. Brain Stimul. 10 (3), 596-603 (2017).
- Cash, R. F., et al. Characterization of Glutamatergic and GABAA-Mediated Neurotransmission in Motor and Dorsolateral Prefrontal Cortex Using Paired-Pulse TMS-EEG. Neuropsychopharmacology. 42 (2), 502-511 (2017).
