تقييم استثارة القشرية الشوكية أثناء سلوك الوصول الموجه نحو الهدف
Summary
الوصول هو مهارة أساسية تسمح للبشر بالتفاعل مع البيئة. تهدف العديد من الدراسات إلى توصيف سلوك الوصول باستخدام مجموعة متنوعة من المنهجيات. تقدم هذه الورقة تطبيقا مفتوح المصدر للتحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة لتقييم حالة استثارة القشرية الشوكية لدى البشر أثناء الوصول إلى أداء المهمة.
Abstract
الوصول هو سلوك تمت دراسته على نطاق واسع في علم وظائف الأعضاء الحركي وأبحاث علم الأعصاب. بينما تم فحص الوصول باستخدام مجموعة متنوعة من التلاعب السلوكي ، لا تزال هناك فجوات كبيرة في فهم العمليات العصبية التي ينطوي عليها تخطيط الوصول والتنفيذ والتحكم. يجمع النهج الجديد الموصوف هنا بين مهمة الوصول ثنائية الأبعاد مع التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) وتسجيل تخطيط كهربية العضل المتزامن (EMG) من عضلات متعددة. تسمح هذه الطريقة بالكشف غير الجراحي عن النشاط القشري الشوكي في نقاط زمنية محددة أثناء الكشف عن حركات الوصول. يتضمن رمز المهمة النموذجي مهمة الوصول إلى الاستجابة المتأخرة مع عرض هدفين محتملين ± 45 درجة من خط الوسط. يتم تسليم TMS نبضة واحدة في غالبية تجارب المهام ، إما في بداية الإشارة التحضيرية (خط الأساس) أو 100 مللي ثانية قبل الإشارة الحتمية (التأخير). تصميم العينة هذا مناسب للتحقيق في التغيرات في استثارة القشرية الشوكية أثناء تحضير الوصول. يتضمن نموذج التعليمات البرمجية أيضا اضطرابا حركيا بصريا (أي دوران المؤشر بمقدار ± 20 درجة) للتحقيق في آثار التكيف على استثارة القشرية الشوكية أثناء تحضير الوصول. يمكن تعديل معلمات المهمة وتسليم TMS لمعالجة فرضيات محددة حول حالة النظام الحركي أثناء سلوك الوصول. في التنفيذ الأولي ، تم استنباط الإمكانات المستثارة الحركية (MEPs) بنجاح في 83٪ من تجارب TMS ، وتم تسجيل مسارات الوصول في جميع التجارب.
Introduction
الوصول الموجه نحو الهدف هو سلوك حركي أساسي يسمح للبشر بالتفاعل مع البيئة الخارجية والتلاعب بها. أنتجت دراسة الوصول في مجالات فسيولوجيا المحرك وعلم النفس وعلم الأعصاب أدبيات غنية وواسعة النطاق تتضمن مجموعة متنوعة من المنهجيات. استخدمت الدراسات المبكرة للوصول التسجيلات العصبية المباشرة في الرئيسيات غير البشرية للتحقيق في النشاط العصبي على مستوى الخلايا العصبية المفردة 1,2. بحثت الدراسات الحديثة في الوصول باستخدام النماذج السلوكية التي تستخدم التكيف الحسي الحركي لاستكشاف طبيعة التعلم الحركي والتحكم3،4،5. يمكن لمثل هذه المهام السلوكية جنبا إلى جنب مع التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي وتخطيط كهربية الدماغ قياس نشاط الدماغ بالكامل أثناء الوصول إلى البشر 6,7. طبقت دراسات أخرى TMS عبر الإنترنت للتحقيق في الميزات المختلفة لإعداد الوصول والتنفيذ8،9،10،11،12،13،14. ومع ذلك ، لا تزال هناك حاجة إلى نهج مفتوح المصدر ومرن يجمع بين التقييم السلوكي للوصول إلى TMS. في حين أن فائدة الجمع بين TMS والبروتوكولات السلوكية راسخة للغاية15 ، هنا ، ندرس على وجه التحديد تطبيق TMS في سياق الوصول باستخدام نهج مفتوح المصدر. هذا أمر جديد في أن المجموعات الأخرى التي نشرت باستخدام هذا المزيج من الأساليب لم تجعل أدواتها متاحة بسهولة ، مما يحظر التكرار المباشر. يسهل هذا النهج مفتوح المصدر النسخ المتماثل ومشاركة البيانات وإمكانية إجراء دراسات متعددة المواقع. بالإضافة إلى ذلك ، إذا رغب الآخرون في متابعة أسئلة بحثية جديدة باستخدام أدوات مماثلة ، يمكن أن تعمل الشفرة مفتوحة المصدر كمنصة انطلاق للابتكار ، لأنها قابلة للتكيف بسهولة.
يوفر TMS وسيلة غير جراحية لفحص النظام الحركي في نقاط زمنية يتم التحكم فيها بدقة16. عند تطبيقه على القشرة الحركية الأولية (M1) ، يمكن أن يؤدي TMS إلى انحراف قابل للقياس في مخطط كهربية العضل للعضلة المستهدفة. توفر سعة موجة الجهد هذه ، والمعروفة باسم الجهد الحركي المثار (MEP) ، مؤشرا لحالة الاستثارة اللحظية للمسار القشري الشوكي (CS) – وهو تناظر ناتج لجميع التأثيرات المثيرة والمثبطة على مسار CS17. بالإضافة إلى توفير قياس موثوق داخل الموضوع لاستثارة CS الجوهرية ، يمكن دمج TMS مع مقاييس سلوكية أو حركية أخرى للتحقيق في العلاقات بين نشاط CS والسلوك بطريقة دقيقة زمنيا. استخدمت العديد من الدراسات مزيجا من TMS وتخطيط كهربية العضل (EMG) لمعالجة مجموعة متنوعة من الأسئلة حول النظام الحركي ، خاصة وأن هذا المزيج من الأساليب يجعل من الممكن التحقيق في MEPs في ظل مجموعة واسعة من الظروف السلوكية15. أحد المجالات التي ثبت فيها ذلك فائدته بشكل خاص هو دراسة إعداد العمل ، غالبا من خلال دراسة حركات المفصل الواحد18. ومع ذلك ، هناك عدد أقل نسبيا من دراسات TMS للحركات الطبيعية متعددة المفاصل مثل الوصول.
كان الهدف الحالي هو تصميم مهمة الوصول إلى الاستجابة المتأخرة التي تتضمن الحركية السلوكية ، وإدارة TMS أحادية النبضة عبر الإنترنت ، وتسجيل EMG المتزامن من عضلات متعددة. تتضمن المهمة نموذج وصول ثنائي الأبعاد من نقطة إلى نقطة مع ملاحظات مرئية عبر الإنترنت باستخدام شاشة موجهة أفقيا بحيث تتطابق التعليقات المرئية مع مسارات الوصول (أي علاقة 1: 1 أثناء التغذية الراجعة الحقيقية وعدم وجود تحول بين التغذية الراجعة المرئية والحركة). يتضمن التصميم الحالي أيضا مجموعة من التجارب مع اضطراب حركي مرئي. في المثال المقدم ، هذا هو تحول دوراني بمقدار 20 درجة في ملاحظات المؤشر. استخدمت الدراسات السابقة نموذجا مشابها للوصول لمعالجة الأسئلة حول الآليات والحسابات المرتبطة بالتكيف الحسي الحركي19،20،21،22،23،24،25. علاوة على ذلك ، يتيح هذا النهج تقييم ديناميكيات استثارة النظام الحركي في نقاط زمنية محددة أثناء التعلم الحركي عبر الإنترنت.
نظرا لأن الوصول أثبت أنه سلوك مثمر للتحقيق في التعلم / التكيف ، فإن تقييم استثارة CS في سياق هذا السلوك لديه إمكانات هائلة لإلقاء الضوء على الركائز العصبية المشاركة في هذه السلوكيات. قد تشمل هذه التأثيرات المثبطة المحلية ، والتغيرات في خصائص الضبط ، وتوقيت الأحداث العصبية ، وما إلى ذلك ، كما تم تأسيسها في أبحاث الرئيسيات غير البشرية. ومع ذلك ، كان من الصعب تحديد هذه الميزات في البشر والسكان السريريين. يمكن أيضا التحقيق في الديناميات العصبية في غياب الحركة العلنية لدى البشر باستخدام نهج TMS و EMG المشترك (أي أثناء التحضير للحركة أو أثناء الراحة).
الأدوات المقدمة مفتوحة المصدر ، والكود قابل للتكيف بسهولة. سينتج هذا النموذج الجديد رؤى مهمة حول الآليات التي ينطوي عليها إعداد وتنفيذ وإنهاء وتكييف حركات الوصول. علاوة على ذلك ، فإن هذا المزيج من الأساليب لديه القدرة على الكشف عن العلاقات بين الفيزيولوجيا الكهربية والوصول إلى السلوك لدى البشر.
Protocol
Representative Results
Discussion
تقدم الطرق الموضحة أعلاه نهجا جديدا لدراسة التحضير الحركي في سياق الوصول إلى السلوكيات. على الرغم من أن الوصول يمثل مهمة نموذجية شائعة في دراسة التحكم الحركي والتعلم ، إلا أن هناك حاجة إلى إجراء تقييم دقيق لديناميكيات CS المرتبطة بسلوك الوصول. يوفر TMS طريقة غير جراحية ودقيقة زمنيا…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
أصبح هذا البحث ممكنا جزئيا بفضل التمويل السخي لبرنامج Knight Campus Undergraduate Scholars ومؤسسة Phil and Penny Knight
Materials
| 2-Port Native PCI Express | StarTech.com | RS232 Card with 16950 UART | Must be compatible with desktop computer |
| Adjustable 80-20 aluminum frame | any | ||
| Alcohol prep pads | any | EMG preparation | |
| Bagnoli Bipolar Electrodes | Delsys | DE 2.1 | |
| Bagnoli Reference Electrode | Delsys | USX2000 | 2” (5cm) Round |
| Bagnoli-8 EMG System | Delsys | ||
| Chair | any | ||
| Computer monitor for EMG/TMS | n/a | ||
| Desk | any | ||
| Desktop Computer | Dell | xps 8930 | RAM: 16 GB, Storage: 1TB, Graphics: 1060 6GB |
| EMG electrodes | Delsys | Sensor Adhesive Interface | |
| Fine grain sandpaper | any | EMG preparation | |
| Graphics tablet | Wacom | Intuos-4 XL | |
| Handle of paint roller | any | to be used as stylus handle, hollowed out center must be large enough for stylus to sit securely inside | |
| Medical tape | any | To secure EMG electrodes | |
| PCI-6220 card DAQ | National Instruments | To interface EMG system | |
| Photodiode Sensor | Vishay | BPW21R | To record timing of task events into EMG trace. |
| Rear TMS port | Magstim | Included with TMS machine | |
| Right-handed polyethylene glove | any | Cut out thumb and index finger of glove to expose FDI muscle | |
| Sensory Adhesive Interface, 2-slot | Delsys | SC-F01 | |
| Stylus | Wacom | Intuos-4 grip pen | |
| Tablet-to-Computer USB cable | any | Included in Tablet purchase | |
| Task Monitor | Asus | VG248 | |
| TMS coil | Magstim | D70 Remote Coil | 7cm diameter, figure-of-eight coil |
| TMS machine | Magstim | 200-2 | |
| TMS-to-Computer DB9 cable | any | Connects to PCIe Serial Card | |
| Velcro | any | To be placed on glove and stylus handle |
References
- Georgopoulos, A. P., Kalaska, J. F., Caminiti, R., Massey, J. T. On the relations between the direction of two-dimensional arm movements and cell discharge in primate motor cortex. The Journal of Neuroscience. 2 (11), 1527-1537 (1982).
- Georgopoulous, A. P., Schwartz, A. B., Kettner, R. E. Neuronal population coding of movement direction. Science. 233 (4771), 1416-1419 (1986).
- Kim, H. E., Morehead, J. R., Parvin, D. E., Moazzezi, R., Ivry, R. B. Invariant errors reveal limitations in motor correction rather than constraints on error sensitivity. Communications Biology. 1, 19 (2018).
- Huberdeau, D. M., Krakauer, J. W., Haith, A. M. Dual-process decomposition in human sensorimotor adaptation. Current Opinion in Neurobiology. 33, 71-77 (2015).
- Shadmehr, R., Smith, M. A., Krakauer, J. W. Error correction, sensory prediction, and adaptation in motor control. Annual Review of Neuroscience. 33 (1), 89-108 (2010).
- Filimon, F., Nelson, J. D., Hagler, D. J., Sereno, M. I. Human cortical representations for reaching: Mirror neurons for execution, observation, and imagery. NeuroImage. 37 (4), 1315-1328 (2007).
- Hammon, P. S., Makeig, S., Poizner, H., Todorov, E., de Sa, V. R. Predicting reaching targets from human EEG. IEEE Signal Processing Magazine. 25 (1), 69-77 (2008).
- Busan, P., et al. Effect of transcranial magnetic stimulation (TMS) on parietal and premotor cortex during planning of reaching movements. PloS One. 4 (2), 4621 (2009).
- Busan, P., et al. Transcranial magnetic stimulation and preparation of visually-guided reaching movements. Frontiers in Neuroengineering. 5, 18 (2012).
- Lega, C., et al. The topography of visually guided grasping in the premotor cortex: a dense-transcranial magnetic stimulation (TMS) mapping study. The Journal of Neuroscience. 40 (35), 6790-6800 (2020).
- Marigold, D. S., Lajoie, K., Heed, T. No effect of triple-pulse TMS medial to intraparietal sulcus on online correction for target perturbations during goal-directed hand and foot reaches. PloS One. 14 (10), 0223986 (2019).
- Savoie, F. -. A., Dallaire-Jean, L., Thenault, F., Whittingstall, K., Bernier, P. -. M. Single-pulse TMS over the parietal cortex does not impair sensorimotor perturbation-induced changes in motor commands. eNeuro. 7 (2), (2020).
- Taga, M., et al. Motor adaptation and internal model formation in a robot-mediated forcefield. Psychoradiology. 1 (2), 73-87 (2021).
- Vesia, M., et al. Human dorsomedial parieto-motor circuit specifies grasp during the planning of goal-directed hand actions. Cortex. 92, 175-186 (2017).
- Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Experimental Brain Research. 233 (3), 679-689 (2015).
- 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. Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1110 (2015).
- Rothwell, J. C., Thompson, P. D., Boyd, S., Marsden, C. D. Stimulation of the human motor cortex through the scalp. Experimental Physiology. 76 (2), 159-200 (1991).
- Bestmann, S., Duque, J. Transcranial magnetic stimulation: decomposing the processes underlying action preparation. The Neuroscientist. 22 (4), 392-405 (2016).
- Kim, H. E., Avraham, G., Ivry, R. B. The psychology of reaching: action selection, movement implementation, and sensorimotor learning. Annual Review of Psychology. 72 (1), 61-95 (2021).
- McDougle, S. D., Bond, K. M., Taylor, J. A. Explicit and implicit processes constitute the fast and slow processes of sensorimotor learning. The Journal of Neuroscience. 35 (26), 9568-9579 (2015).
- McDougle, S. D., Bond, K. M., Taylor, J. A. Implications of plan-based generalization in sensorimotor adaptation. Journal of Neurophysiology. 118 (1), 383-393 (2017).
- McDougle, S. D., Ivry, R. B., Taylor, J. A. Taking aim at the cognitive side of learning in sensorimotor adaptation tasks. Trends in Cognitive Sciences. 20 (7), 535-544 (2016).
- Morehead, J. R., Qasim, S. E., Crossley, M. J., Ivry, R. Savings upon re-aiming in visuomotor adaptation. The Journal of Neuroscience. 35 (42), 14386-14396 (2015).
- Taylor, J. A., Krakauer, J. W., Ivry, R. B. Explicit and implicit contributions to learning in a sensorimotor adaptation task. The Journal of Neuroscience. 34 (8), 3023-3032 (2014).
- Tsay, J. S., Kim, H. E., Parvin, D. E., Stover, A. R., Ivry, R. B. Individual differences in proprioception predict the extent of implicit sensorimotor adaptation. Journal of Neurophysiology. 125 (4), 1307-1321 (2021).
- Jackson, N., Greenhouse, I. VETA: An open-source matlab-based toolbox for the collection and analysis of electromyography combined with transcranial magnetic stimulation. Frontiers in Neuroscience. 13, 975 (2019).
- 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).
- Koch, G., et al. Functional interplay between posterior parietal and ipsilateral motor cortex revealed by twin-coil transcranial magnetic stimulation during reach planning toward contralateral space. The Journal of Neuroscience. 28 (23), 5944-5953 (2008).
- Goldenkoff, E. R., Mashni, A., Michon, K. J., Lavis, H., Vesia, M. Measuring and manipulating functionally specific neural pathways in the human motor system with transcranial magnetic stimulation. Journal of Visualized Experiments. (156), e60706 (2020).
