עיכוב intracortical בתוך קליפת המוח המוטורית ראשי יכול להיות מווסת על ידי שינוי המוקד של תשומת לב
Summary
באמצעות שני פרוטוקולים גירוי מגנטי (אלקטרואנספלוגרם) טראנס שונים, כתב יד זה מתאר כיצד למדוד ולהשוות עיכוב קורטיקלית בתוך קליפת המוח המוטורית הראשי בעת אימוץ foci כל מעסיק אחר.
Abstract
הוא מוכר היטב מוקד חיצוני (EF) בהשוואה עם מיקוד פנימי (אם) של תשומת לב משפר ביצועים ולמידה מוטורית. מחקרים הראו יתרונות בדיוק, איזון בכוח הייצור, קופץ ביצועים, מהירות התנועה, צריכת חמצן, פעילות בית בלק האצילי והעתיק. למרות תוצאות התנהגותיות של שימוש אסטרטגיית EF נידונות טוב, המנגנונים העצביים העומדים המשמש כבסיס נשאר לא ידוע. מחקר שנערך לאחרונה TMS לעומת הפעילות של קליפת מנוע ראשי (M1) בין EF של IF. ליתר דיוק, מחקר זה הראה כי בעת אימוץ של EF, הפעילות של מעגלים מעכבות intracortical מוגברת.
ברובד ההתנהגותי, בפרוטוקול הנוכחי בדיקות השפעת foci כל מעסיק על הזמן על מכשל במשימה (TTF) בעת ביצוע התכווצויות submaximal של הראשון הגבי interosseous (FDI). בנוסף, הנייר הנוכחי מתאר שני פרוטוקולים TMS כדי להעריך את ההשפעה של תנאי כל מעסיק על פעילות קורטיקלית מעכבות מעגלים בתוך M1. לפיכך, המאמר הנוכחי מתאר כיצד להשתמש יחיד-הדופק TMS על עוצמות מתחת לסף מוטוריים (subTMS) ו TMS לזווג…-דופק, גרימת עיכוב קצר-מרווח intracortical (SICI) כאשר חל על M1. שיטות אלה מטופלות כדי לשקף את יכולת התגובה של נוירונים מעכבות GABAergic, מבלי להיות מושפעים circuitries רפלקס השדרה, הם מתאימים היטב מדידת הפעילות של intracortical מעכבות מעגלים בתוך M1.
התוצאות מציגות כי הפניית תשומת הלב חיצונית משפר את ביצועי המנוע, כל המשתתפים הצליחו להאריך את זמן הפעילות לכשל. יתר על כן, התוצאות היו מלוות דיכוי אלקטרומיוגרפיה הנוצרות על-ידי subTMS גדול יותר ו- SICI בעת אימוץ של EF בהשוואה ל- IF. כפי הרמה של עיכוב קורטיקלית בתוך M1 הודגם קודם לכן כדי להשפיע על ביצועי המנוע, עיכוב משופרת עם EF עשוי לתרום יעילות התנועה יותר נצפתה הפעילות התנהגותית, המצוין על-ידי TTF ממושך עם EF.
Introduction
בדרך כלל מקובל לחשוב כעת כי אימוץ EF בהשוואה ל- IF או נייטרלי למוקד תשומת הלב מקדמת למידה הגדרות רבות1וביצועים מנוע. הוכח, לדוגמה, כי אימוץ של EF מוביל הטבות דיוק2,3, איזון4,5,6, כוח הייצור7,8, קופץ ביצועים 7 , 9 , 10 , 11, מהירות תנועה12,13,של צריכת חמצן14ו משימות מעייפת15,16.
בצד השני, מאז הפעלת המוח היא הבסיס של כל התנועות, מספר היבטים של שליטה עצבית של התנועה נחקרו. לדוגמה, הרמה ואת היכולת לווסת את עיכוב intracortical בתוך M1 הוכח יש השפעה חזקה על תפקוד מוטורי, כגון תיאום interlimb17, שליטה בתנוחה18מיומנות19. יתר על כן, אוכלוסיות עם יכולות השליטה המוטורית עניים מאשר צעירים, כגון נושאים מבוגרים או ילדים (נולד ב לידה מוקדמת20), מראים בדרך כלל שפחות מודגשת שליטה המעכבת. לכן, למרות התפקיד של תהליכים מעכבות אינו עדיין מובן היטב, מעכבות תהליכים בכל זאת נראה חשוב לאיכות ביצוע מנוע באופן כללי.
אפשרות לחקור intracortical circuitries מעכבות היא להשתמש גירוי מגנטי טראנס לא פולשנית (אלקטרואנספלוגרם). הפרוטוקול הנפוץ ביותר לגירוי מחיל את הדופק-לזווג TMS (ppTMS) כדי לגרום SICI. פרוטוקול זה משתמש גירוי מיזוג מתחת לסף מנוע כדי להפחית את משרעת של התגובה לגירוי שליטה suprathreshold elicited במרווח interstimulus של 1-5 ms21,22,23 , 24. לאחר מכן, דיווחו האחוז של הגירוי שליטה, amplitudes של הפוטנציאליות עורר מנוע (פיגל) ניתן להשוות על פני תנאי, נותן מידע על פעילות המעכבת קורטיקליים ו אפנון בתוך M1.
פרוטוקול גירוי אחר כדי להעריך את הפעילות של מעגלים מעכבות intractortical מחיל פולסים יחיד, שבו כל הגירויים נמסרות על עוצמות מתחת לסף מוטוריים (קרי: subTMS). פרוטוקול זה גורם לדיכוי שוטף EMG לפעילות18,25,26. זה מה שנקרא subTMS-induced EMG דיכוי ניתן להשוות מבחינת הסכום ומשך. למרות פרוטוקול זה לא כל כך נפוץ, יש לו יתרונות מסוימים לעומת הפרוטוקול הסטנדרטי SICI. פרוטוקול זה לא יפריע ביצוע מנוע, כמו זה לא לגרום לגירויים suprathreshold. שתי השיטות לבחון את ההיענות של23,interneurons מעכבות intracortical גאמא אמינו בוטירית (GABA)27.
למרות היתרונות הידועים של שימוש של EF בהשוואה ל- IF על ביצועי מנוע1, תהליכים עצביים המשמש כבסיס נשאר ברובו לא ידוע. מחקר ה-fMRI לשעבר28, זה היה הוכיח כי הפעלה (מודגש) תלויי-רמת החמצן בדם שופרה ב- M1, המגע, ראשי, cortices המבודדת כאשר נושאים להורג אצבע רצף ואימץ EF בהשוואה ל- IF. כמו פעילות סינאפסות אינו יכול להיות מבודלים באמצעות fMRI29, עוד מחקר האחרונות16 כאמור כי הפעילות משופרת M1 המשויך EF יכול, למעשה, להיות עקב פעילות משופרת של intracortical מעגלים מעכבות. ליתר דיוק, מחקר זה הראה כי דעתנית של נוירונים GABAergic מעכבות יכול להיות מאופנן באופן מיידי לפי סוג המוקד כל מעסיק בפרשה אותו אדם.
המטרה העיקרית של הפרוטוקול הנוכחי היא להציג שתי הדרכים האפשריות כדי להשוות את ההשפעות של מניפולציה קוגניטיבית (קרי, מוקד תשומת לב להוראות) על הפעילות של intracortical מעכבות מעגלים בתוך M1. SubTMS ו- ppTMS הן שימוש. בנוסף, פרוטוקול זה מציג דרך אפשרית. אחת כדי לחקור את ההשפעה של כל מעסיק מוקדים על התנהגות מוטורית בצורה מאוד מבוקרת על ידי חקירת TTF את ההתכווצות מתמשכת איזומטרי submaximal של FDI.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מציג שתי שיטות אפשריות לחקור את פעילות המעכבת מעגלים בתוך M1 באמצעות TMS. ליתר דיוק, פרוטוקולים שני אלה שימשו במחקר זה לחקור את ההשפעה של כל מעסיק מוקדים על הפעילות של מעגלים מעכבות בתוך M1.
מגבלה אחת של השיטה הציג היא שזה לא תמיד אפשרי לגרום של דיכוי EMG subTMS-induced ללא הה…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים לא תודות לך
Materials
| 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 |
References
- Wulf, G. Attentional focus and motor learning: a review of 15 years. Int Rev Sport Exerc Psychol. 6 (1), 77-104 (2012).
- Perkins-Ceccato, N., Passmore, S. R., Lee, T. D. Effects of focus of attention depend on golfers’ skill. J Sports Sci. 21 (8), 593-600 (2003).
- Marchant, D. C., Clough, J. C., Crawshaw, M. The effects of attentional focusing strategies on novice dart throwing performance and their task experiences. Int Rev Sport Exerc Psychol. 5 (3), 291-303 (2007).
- Oliveira, R. M., Gurd, J. M., Nixon, P., Marshall, J. C., Passingham, R. E. Micrographia in Parkinson’s disease: the effect of providing external cues. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 63 (4), 429-433 (1997).
- Landers, M., Wulf, G., Wallmann, H., Guadagnoli, M. An external focus of attention attenuates balance impairment in patients with Parkinson’s disease who have a fall history. Physiotherapy. 91 (3), 152-158 (2005).
- Wulf, G., Landers, M., Lewthwaite, R., Töllner, T. External focus instructions reduce postural instability in individuals with Parkinson disease. Phys Ther. 89 (2), 162-168 (2009).
- Wulf, G., Dufek, J. S. Increased jump height with an external focus due to enhanced lower extremity joint kinetics. J Mot Behav. 41 (5), 401-409 (2009).
- Marchant, D. C. Attentional Focusing Instructions and Force Production. Front Psychol. 1, 1-9 (2011).
- Wälchli, M., Ruffieux, J., Bourquin, Y., Keller, M., Taube, W. Maximizing Performance: Augmented Feedback, Focus of Attention, and/or Reward?. Med Sci Sports Exerc. 48 (4), 714-719 (2015).
- Keller, M., Lauber, B., Gottschalk, M., Taube, W. Enhanced jump performance when providing augmented feedback compared to an external or internal focus of attention. J Sports Sci. 33 (10), 1067-1075 (2015).
- Wulf, G., Dufek, J. S., Lozano, L., Pettigrew, C. Increased jump height and reduced EMG activity with an external focus. Hum Mov Sci. 29 (3), 440-448 (2010).
- Fasoli, S. E., Trombly, C. A., Tickle-Degnen, L., Verfaellie, M. H. Effect of instructions on functional reach in persons with and without cerebrovascular accident. Am J Occup Ther. 56 (4), 380-390 (2002).
- Schücker, L., Anheier, W., Hagemann, N., Strauss, B., Völker, K. On the optimal focus of attention for efficient running at high intensity. Sport Exerc Perform Psychol. 2 (3), 207-219 (2013).
- Schücker, L., Hagemann, N., Strauss, B., Völker, K. The effect of attentional focus on running economy. J Sports Sci. 27 (12), 1241-1248 (2009).
- Lohse, K. R., Sherwood, D. E. Defining the focus of attention: effects of attention on perceived exertion and fatigue. Front Psychol. 2, 332 (2011).
- Kuhn, Y. A., Keller, M., Ruffieux, J., Taube, W. Adopting an external focus of attention alters intracortical inhibition within the primary motor cortex. Acta Physiol (Oxf). , (2016).
- Fujiyama, H., Hinder, M. R., Schmidt, M. W., Garry, M. I., Summers, J. J. Age-related differences in corticospinal excitability and inhibition during coordination of upper and lower limbs. Neurobiol Aging. 33 (7), (2012).
- Papegaaij, S., et al. Postural challenge affects motor cortical activity in young and old adults. Exp Gerontol. 73, 78-85 (2016).
- Heise, K. -. F., et al. The Aging Motor System as a Model for Plastic Changes of GABA-Mediated Intracortical Inhibition and Their Behavioral Relevance. J Neurosci. 33 (21), 9039-9049 (2013).
- Flamand, V. H., Nadeau, L., Schneider, C. Brain motor excitability and visuomotor coordination in 8-year-old children born very preterm. Clin Neurophysiol. 123 (6), 1191-1199 (2012).
- Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. J Physiol. 471, 501-519 (1993).
- Wassermann, E. M., et al. Responses to paired transcranial magnetic stimuli in resting, active, and recently activated muscles. Exp Brain Res. 109 (1), 158-163 (1996).
- Di Lazzaro, V., et al. Magnetic transcranial stimulation at intensities below active motor threshold activates intracortical inhibitory circuits. Exp Brain Res. 119 (2), 265-268 (1998).
- Chen, R. Interactions between inhibitory and excitatory circuits in the human motor cortex. Exp Brain Res. 154 (1), 1-10 (2004).
- Lauber, B., Keller, M., Leukel, C., Gollhofer, A., Taube, W. Specific interpretation of augmented feedback changes motor performance and cortical processing. Exp Brain Res. 227 (1), 31-41 (2013).
- Lauber, B., Leukel, C., Gollhofer, A., Taube, W. Time to task failure and motor cortical activity depend on the type of feedback in visuomotor tasks. PLoS One. 7 (3), e32433 (2012).
- Davey, N. J., Romaiguère, P., Maskill, D. W., Ellaway, P. H. Suppression of voluntary motor activity revealed using transcranial magnetic stimulation of the motor cortex in man. J Physiol. 477 (2), 223-235 (1994).
- Zentgraf, K., et al. Neural correlates of attentional focusing during finger movements: A fMRI study. J Mot Behav. 41 (6), 535-541 (2009).
- Arthurs, O. J., Boniface, S. How well do we understand the neural origins of the fMRI BOLD signal?. Trends Neurosci. 25 (1), 27-31 (2002).
- 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).
- Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clin Neurophysiol. 126 (6), 1071-1107 (2015).
- Seifert, T., Petersen, N. C. Changes in presumed motor cortical activity during fatiguing muscle contraction in humans. Acta Physiol (Oxf). 199, 317-325 (2010).
- Sidhu, S. K., Cresswell, A. G., Carroll, T. J. Short-interval intracortical inhibition in knee extensors during locomotor cycling. Acta Physiol (Oxf). 207 (1), 194-201 (2013).
- Zuur, A. T., et al. Contribution of afferent feedback and descending drive to human hopping. J Physiol. 588 (Pt 5), 799-807 (2010).
- Konrad, P. . The ABC of EMG: A practical introduction to kinesiological electromyography. , (2005).
- Roshan, L., Paradiso, G. O., Chen, R. Two phases of short-interval intracortical inhibition. Exp Brain Res. 151 (3), 330-337 (2003).
- Kojima, S., et al. Modulation of the cortical silent period elicited by single- and paired-pulse transcranial magnetic stimulation. BMC Neurosci. 14, 43 (2013).
- McNevin, N., Shea, C. H., Wulf, G. Increasing the distance of an external focus of attention enhances learning. Psychol Res. 67 (1), 22-29 (2003).
- Hummel, F. C., et al. Deficient intracortical inhibition (SICI) during movement preparation after chronic stroke. Neurology. 72 (20), 1766-1772 (2009).
- Mall, V., et al. Low level of intracortical inhibition in children shown by transcranial magnetic stimulation. Neuropediatrics. 35 (2), 120-125 (2004).
- Walther, M., et al. Maturation of inhibitory and excitatory motor cortex pathways in children. Brain Dev. 31 (7), 562-567 (2009).
- van de Laar, M. C., van den Wildenberg, W. P., van Boxtel, G. J., Huizenga, H. M., van der Molen, M. W. Lifespan changes in motor activation and inhibition during choice reactions: a Laplacian ERP study. Biol Psychol. 89 (2), 323-334 (2012).
- Papegaaij, S., Taube, W., Baudry, S., Otten, E., Hortobagyi, T. Aging causes a reorganization of cortical and spinal control of posture. Front Aging Neurosci. 6 (28), (2014).
- Kwong, K. K., et al. Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sensory stimulation. Proc Natl Acad Sci U S A. 89 (12), 5675-5679 (1992).
- Ziemann, U., Rothwell, J. C., Ridding, M. C. Interaction between intracortical inhibition and facilitation in human motor cortex. J Physiol. 496 (Pt 3), 873-881 (1996).
- Petersen, N. T., et al. Suppression of EMG activity by transcranial magnetic stimulation in human subjects during walking. J Physiol. 537 (Pt 2), 651-656 (2001).
- Butler, J. E., Larsen, T. S., Gandevia, S. C., Petersen, N. T. The nature of corticospinal paths driving human motoneurones during voluntary contractions. J Physiol. 584 (Pt 2), 651-659 (2007).
- Ortu, E., Deriu, F., Suppa, A., Tolu, E., Rothwell, J. C. Effects of volitional contraction on intracortical inhibition and facilitation in the human motor cortex. J Physiol. 586 (21), 5147-5159 (2008).
- Roy, F. D. Suppression of EMG activity by subthreshold paired-pulse transcranial magnetic stimulation to the leg motor cortex. Exp Brain Res. 193 (3), 477-482 (2009).
- Di Lazzaro, V., et al. Direct demonstration of the effect of lorazepam on the excitability of the human motor cortex. Clin Neurophysiol. 111 (5), 794-799 (2000).
- Classen, J., Benecke, R. Inhibitory phenomena in individual motor units induced by transcranial magnetic stimulation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 97 (5), 264-274 (1995).
- Binkofski, F., et al. Neural activity in human primary motor cortex areas 4a and 4p is modulated differentially by attention to action. J Neurophysiol. 88 (1), 514-519 (2002).
- Strafella, A. P., Paus, T. Cerebral blood-flow changes induced by paired-pulse transcranial magnetic stimulation of the primary motor cortex. J Neurophysiol. 85 (6), 2624-2629 (2001).
- Hunter, S. K., McNeil, C. J., Butler, J. E., Gandevia, S. C., Taylor, J. L. Short-interval cortical inhibition and intracortical facilitation during submaximal voluntary contractions changes with fatigue. Exp Brain Res. 234 (9), 2541-2551 (2016).
- Zimmermann, K., et al. Neural Correlates of Switching Attentional Focus during Finger Movements: An fMRI Study. Front Psychol. 3 (555), (2012).
