Online Transcraniële magnetische stimulatie Protocol voor het meten van de corticale fysiologie gekoppeld respons inhibitie
Summary
We beschrijven een experimentele procedure om te kwantificeren prikkelbaarheid en remming van de primaire motorische cortex tijdens een motor respons inhibitie taak door middel van Transcraniële magnetische stimulatie in de loop van een Stop signaal taak.
Abstract
We beschrijven de ontwikkeling van een reproduceerbare en kindvriendelijke motor respons inhibitie taak geschikt voor online Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) karakterisering van primaire motorische cortex (M1) prikkelbaarheid en inhibitie. Motor respons inhibitie voorkomt ongewenste acties en abnormaal in verschillende neuropsychiatrische aandoeningen. TMS is een niet-invasieve technologie die kan kwantificeren M1 prikkelbaarheid en remming met behulp van één – en gekoppeld-pulse protocollen en juist kan worden getimed om te studeren corticale fysiologie met hoge temporele resolutie. We bewerkt de oorspronkelijke Slater-Hammel (S-H) stop signaal taak voor het maken van een “raceauto” versie met TMS pulsen tijd-vergrendeld aan intra proef gebeurtenissen. Dit is zelfstudie, met elke proef starten na een knop druk te verplaatsen van de raceauto richting de 800 ms-doelstelling. GAAN proeven vereist een vinger-lift om te stoppen met de raceauto vlak voor dit doel. Willekeurig afgewisseld zijn STOP proeven (25%) gedurende welke het dynamisch aangepast stop signaal onderwerpen vraagt om te voorkomen dat de vinger-lift. Voor GO proeven, werden TMS pulsen geleverd bij 650 ms na de aanvang van het proces; Overwegende dat de TMS pulsen voorgedaan voor STOP proeven, 150 ms na het stop signaal. De tijden van de pulsen TMS waren besloten gebaseerd op elektro-encefalografie (EEG) studies waaruit blijkt van gebeurtenis-gerelateerde veranderingen in deze tijd bereiken tijdens stop signaal taken. Deze taak werd bestudeerd in 3 blokken op twee locaties van de studie (n = 38) en we registreerden gedrags prestaties en gebeurtenis-gerelateerde motor-evoked potentials (MEP). Regressie modellering werd gebruikt voor het analyseren van de MEP amplitudes met behulp van leeftijd als een covariate met meerdere onafhankelijke variabelen (seks, bestuderen van de site, blok, TMS pulse voorwaarde [single-vs. gekoppeld-pulse], proef voorwaarde [GO, succesvolle STOP, mislukt STOP]). Uit de analyse bleek dat TMS pulse voorwaarde (p < 0.0001) en zijn interactie met trial voorwaarde (p = 0.009) waren significant. Toekomstige toepassingen voor dit online S-H/TMS paradigma omvatten de toevoeging van de gelijktijdige overname van de EEG om te meten EEG TMS-evoked potentials. Een mogelijke beperking is dat bij kinderen, het geluid van de puls TMS gedrags taakprestaties kan beïnvloeden.
Introduction
Respons inhibitie is de mogelijkheid om selectief te voorkomen dat deze ongewenste acties die met de beoogde functionele doelstellingen interfereren kunnen. 1 het cortico-striatale netwerk is kritisch betrokken bij respons inhibitie, die geleidelijk wordt efficiënter als de kinderen volwassen maar is geschaad in talrijke neuropsychiatrische voorwaarden zoals aandacht-deficit hyperactivity disorder) ADHD), leren stoornissen, obsessief-compulsieve stoornis en schizofrenie. 2 , 3 motor respons inhibitie kan onderzocht worden met verschillende gedrags paradigma’s zoals Go/NoGo (GNG) en Stop signaal taak (SST). 1 , 4 gedrags-gegevens alleen levert geen informatie over potentieel veranderbare, kwantificeerbare biologische mechanismen. Het overkoepelende doel in de huidige studie was een kind vriendelijke methode om te evalueren van de motorschors fysiologie tijdens de uitvoering van respons inhibitie, teneinde een hersenen gebaseerde kwantitatieve biomarker van de neurale substraat van deze taak te ontwikkelen. Deze biomarkers kon hebben brede toepassing in voorspellende studies van prognose of behandeling van neuro-stoornissen.
Voor dit doel, de onderzoekers geselecteerd en bewerkt de Slater-Hammel (S-H) taak5. Dit is een stop signaal taak die deelnemers voor de remming van een intern gegenereerde voorgeprogrammeerde actie vereist. Deze zelfstudie taak bestaat uit zowel de GO als de STOP proeven. Ga proeven worden geïnitieerd door het onderwerp op te drukken en druk op een knop, met de instructie vinger op te tillen uit de knop (dat wil zeggen GO actie) zo dicht bij, maar voordat de 800 ms doelstelling handhaving. In de oorspronkelijke paradigma, wordt tijd aangegeven op een klok met een sneldraaiende hand. STOP proeven worden willekeurig afgewisseld onder GO proeven waarin de persoon de vooraf geplande GO actie moet remmen (dat wil zeggen het voorkomen van vinger lift). Het stop signaal taak is moeilijker omdat onderwerpen hebben voor de remming van een reactie in het kader van een voorgeprogrammeerde GO-signaal, overwegende dat in GNG taak, het besluit of u wilt starten of een actie met geen voorafgaande opdrachten niet starten. 6 voorts wellicht nauwkeuriger te onderzoeken respons inhibitie met behulp van stop signaal taken omdat in de GNG taak, consistente correlaties tussen signaal en reacties leiden automatische remming tot kunnen. 7 automatische remming is de theorie dat consistente toewijzing tussen signaal en respons (dat wil zeggen GO-signaal altijd resulteert in een GO-reactie en vice versa) leidt tot een automatische verwerking in de loop van het experiment zodanig dat de STOP-proeven gedeeltelijk verwerkt via geheugen ophalen en mijdt bepaalde uitvoerende besturingselementen. 8 , 9
Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een niet-invasieve technologie die kan worden gebruikt voor het meten van de corticale fysiologie. Met behulp van één – en gekoppeld-pulse stimulatie paradigma’s, kan een kwantificeren corticale prikkelbaarheid en inhibitie. Hoewel meest gepubliceerde TMS studies corticale fysiologie onbeweeglijk onderzoeken, hebben sommige groepen corticale prikkelbaarheid/remming onderzocht tijdens mentale voorbereiding voor actie10 en tijdens verschillende cognitieve staten die kunnen worden weerspiegeld in de motor Fysiologie van de cortex. 11 , 12 , 13 , 14 deze functionele TMS (fTMS) benadering vereist online TMS metingen terwijl deelnemers gedrags taken uitvoert, waardoor een sonde corticale verandert dat zijn situatieafhankelijke met hoge temporele resolutie. Verstrekken van real-time informatie over neurophysiologic wijzigingen op zodanige wijze verruimt het fysiologische onderzoek van de motorische controle15,16 en neuropsychiatrische voorwaarden17,18, 19,20.
Voorafgaande fTMS studies hebben onderzocht corticale mechanismen van respons inhibitie bij gezonde volwassenen met behulp van GNG14 en SST taken15,16,21. Een studie toonde voorts dat een enkelvoudige dosis van methylfenidaat motor corticale fysiologie van gezonde volwassenen tijdens een experiment fTMS/GNG gewijzigd. 22 tot op heden zijn er twee groepen die pediatrische fTMS studies met GNG taak te karakteriseren corticale fysiologie van ADHD23 en Tourette syndroom17gepubliceerd. Er is momenteel geen gepubliceerde fTMS studie met behulp van SST bij de pediatrische populatie.
Een kritieke kwestie in fTMS studies, een veel grotere mate dan rest-alone TMS studies, is spier artefact. Gestandaardiseerde oppervlakte elektromyografie (EMG) maatregelen van de amplitude en latentie van motor-evoked potentials (MEP) mag niet verontreinigd zijn door spier artefact. Dus, bijvoorbeeld om te studeren corticale wijzigingen ter voorbereiding van een beweging in een studie van de reactietijd, TMS pulsen moeten worden precies getimed optreden na een GO-signaal maar vóór de reactietijd van een individu. Dus in een taak is het essentieel om ervoor te zorgen dat TMS pulsen zijn plaatsvinden op een tijdstip wanneer de motor reactie is nog niet begonnen, en dat de deelnemer is comfortabel en in staat om de relevante spier in rust. Dit kan buitengewoon problematisch met hyperkinetische kinderen die wellicht natuurlijk vreemde bewegingen en die kan houden hun arm en hand gespannen tijdens een reactietijd spel.
Het doel van de huidige studie is om een versie van de SST Slater-Hammel dat is kindvriendelijk en geschikt voor de bestudering van de Fysiologie van de primaire motorische cortex (M1) te ontwikkelen. Deze taak moet 1) gemakkelijk te begrijpen voor kinderen, 2) relatief eenvoudig om voor de kinderen en 3) compatibel met online TMS te voltooien.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol is een nieuwe methode van het kindvriendelijke om een stop signaal taak en TMS te onderzoeken gebeurtenis-gerelateerde corticale remming te combineren. Klinische observatie van motor remmende tekorten en slechte prestaties in stop signaal taken zijn aangetoond in talloze neuropsychiatrische voorwaarden. 3 relatief weinig onderzoekers hebben gebruikt online fTMS corticale prikkelbaarheid en remming tijdens respons inhibitie taken te onderzoeken. Sommige groepen hebben met succes gebrui…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd gefinancierd door het National Institute of Mental Health (R01MH095014).
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 |
References
- 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. Neurosciences. 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).
