लक्ष्य-निर्देशित पहुंच व्यवहार के दौरान कॉर्टिकोस्पाइनल उत्तेजना का आकलन करना
Summary
पहुंचना एक मौलिक कौशल है जो मनुष्यों को पर्यावरण के साथ बातचीत करने की अनुमति देता है। कई अध्ययनों ने विभिन्न पद्धतियों का उपयोग करके पहुंचने वाले व्यवहार को चिह्नित करने का लक्ष्य रखा है। यह पेपर कार्य प्रदर्शन तक पहुंचने के दौरान मनुष्यों में कॉर्टिकोस्पाइनल उत्तेजना की स्थिति का आकलन करने के लिए ट्रांसक्रैनियल चुंबकीय उत्तेजना का एक ओपन-सोर्स अनुप्रयोग प्रदान करता है।
Abstract
पहुंचना मोटर फिजियोलॉजी और तंत्रिका विज्ञान अनुसंधान में एक व्यापक रूप से अध्ययन किया गया व्यवहार है। जबकि विभिन्न प्रकार के व्यवहार जोड़तोड़ का उपयोग करके पहुंचने की जांच की गई है, पहुंच योजना, निष्पादन और नियंत्रण में शामिल तंत्रिका प्रक्रियाओं की समझ में महत्वपूर्ण अंतराल बने हुए हैं। यहां वर्णित उपन्यास दृष्टिकोण कई मांसपेशियों से ट्रांसक्रैनियल चुंबकीय उत्तेजना (टीएमएस) और समवर्ती इलेक्ट्रोमोग्राफी (ईएमजी) रिकॉर्डिंग के साथ दो-आयामी पहुंच कार्य को जोड़ता है। यह विधि पहुंच आंदोलनों के प्रकटहोने के दौरान सटीक समय बिंदुओं पर कॉर्टिकोस्पाइनल गतिविधि का गैर-आक्रामक पता लगाने की अनुमति देती है। उदाहरण कार्य कोड में मध्य रेखा से 45° ± प्रदर्शित दो संभावित लक्ष्यों के साथ विलंबित प्रतिक्रिया पहुंच कार्य शामिल है। एकल पल्स टीएमएस को अधिकांश कार्य परीक्षणों पर वितरित किया जाता है, या तो प्रारंभिक क्यू (बेसलाइन) की शुरुआत में या अनिवार्य क्यू (देरी) से 100 एमएस पहले। यह नमूना डिजाइन पहुंच तैयारी के दौरान कॉर्टिकोस्पाइनल उत्तेजना में परिवर्तन की जांच के लिए उपयुक्त है। नमूना कोड में पहुंच तैयारी के दौरान कॉर्टिकोस्पाइनल उत्तेजना पर अनुकूलन के प्रभावों की जांच करने के लिए एक विसुओमोटर गड़बड़ी (यानी, ± 20 ° का कर्सर रोटेशन) भी शामिल है। कार्य मापदंडों और टीएमएस वितरण को पहुंच व्यवहार के दौरान मोटर सिस्टम की स्थिति के बारे में विशिष्ट परिकल्पनाओं को संबोधित करने के लिए समायोजित किया जा सकता है। प्रारंभिक कार्यान्वयन में, टीएमएस परीक्षणों के 83% पर मोटर इवोकेटेड पोटेंशियल (एमईपी) सफलतापूर्वक प्राप्त किए गए थे, और सभी परीक्षणों पर पहुंच प्रक्षेपपथ दर्ज किए गए थे।
Introduction
लक्ष्य-निर्देशित पहुंच एक मौलिक मोटर व्यवहार है जो मनुष्यों को बाहरी वातावरण के साथ बातचीत करने और हेरफेर करने की अनुमति देता है। मोटर फिजियोलॉजी, मनोविज्ञान और तंत्रिका विज्ञान के क्षेत्र में पहुंचने के अध्ययन ने समृद्ध और व्यापक साहित्य का उत्पादन किया है जिसमें विभिन्न प्रकार के तरीके शामिल हैं। पहुंचने के शुरुआती अध्ययनों ने एकल न्यूरॉन्स 1,2 के स्तर पर तंत्रिका गतिविधि की जांच करने के लिए गैर-मानव प्राइमेट्स में प्रत्यक्ष तंत्रिका रिकॉर्डिंग का उपयोग किया। हाल के अध्ययनों ने व्यवहार प्रतिमानों का उपयोग करके पहुंचने की जांच की है जो मोटर सीखने और नियंत्रण 3,4,5 की प्रकृति का पता लगाने के लिए सेंसरिमोटर अनुकूलन को नियोजित करते हैं। कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग और इलेक्ट्रोएन्सेफलोग्राफी के साथ संयुक्त ऐसे व्यवहार कार्य मनुष्यों में पहुंचनेके दौरान पूरे मस्तिष्क की गतिविधि को माप सकते हैं। अन्य अध्ययनों ने पहुंच तैयारी और निष्पादन 8,9,10,11,12,13,14 की विभिन्न विशेषताओं की जांच के लिए ऑनलाइन टीएमएस लागू किया है। हालांकि, एक ओपन-सोर्स और लचीले दृष्टिकोण की आवश्यकता बनी हुई है जो टीएमएस के साथ पहुंचने के व्यवहार मूल्यांकन को जोड़ती है। जबकि व्यवहार प्रोटोकॉल के साथ टीएमएस के संयोजन की उपयोगिता बहुत अच्छी तरह से स्थापित है, यहां, हम विशेष रूप से ओपन-सोर्स दृष्टिकोण का उपयोग करके पहुंचने के संदर्भ में टीएमएस के आवेदन की जांच करते हैं। यह उपन्यास है कि अन्य समूह जिन्होंने विधियों के इस संयोजन का उपयोग करके प्रकाशित किया है, उन्होंने अपने उपकरणों को आसानी से उपलब्ध नहीं कराया है, जिससे प्रत्यक्ष प्रतिकृति पर प्रतिबंध लगाया गया है। यह ओपन-सोर्स दृष्टिकोण प्रतिकृति, डेटा साझाकरण और बहु-साइट अध्ययन की संभावना की सुविधा प्रदान करता है। इसके अतिरिक्त, यदि अन्य लोग इसी तरह के उपकरणों के साथ नए शोध प्रश्नों को आगे बढ़ाना चाहते हैं, तो ओपन-सोर्स कोड नवाचार के लिए लॉन्च पैड के रूप में कार्य कर सकता है, क्योंकि यह आसानी से अनुकूलनीय है।
टीएमएस ठीक नियंत्रित समय बिंदु16 पर मोटर सिस्टम की जांच करने का एक गैर-आक्रामक साधन प्रदान करता है। जब प्राथमिक मोटर कॉर्टेक्स (एम 1) पर लागू किया जाता है, तो टीएमएस एक लक्षित मांसपेशी के इलेक्ट्रोमायोग्राम में एक औसत दर्जे का विक्षेपण प्राप्त कर सकता है। इस वोल्टेज तरंग का आयाम, जिसे मोटर इवोकेटेड पोटेंशियल (एमईपी) के रूप में जाना जाता है, कॉर्टिकोस्पाइनल (सीएस) मार्ग की क्षणिक उत्तेजना स्थिति का एक सूचकांक प्रदान करता है- सीएस मार्ग17 पर सभी उत्तेजक और निरोधात्मक प्रभावों का एक परिणामी एनालॉग। आंतरिक सीएस उत्तेजना के एक विश्वसनीय भीतर-विषय माप प्रदान करने के अलावा, टीएमएस को अस्थायी रूप से सटीक तरीके से सीएस गतिविधि और व्यवहार के बीच संबंधों की जांच करने के लिए अन्य व्यवहार या किनेमेटिक मैट्रिक्स के साथ जोड़ा जा सकता है। कई अध्ययनों ने मोटर सिस्टम के बारे में विभिन्न प्रश्नों को संबोधित करने के लिए टीएमएस और इलेक्ट्रोमोग्राफी (ईएमजी) के संयोजन का उपयोग किया है, खासकर जब से विधियों का यह संयोजनव्यवहार स्थितियों की एक विशाल सरणी के तहत एमईपी की जांच करना संभव बनाता है। एक क्षेत्र जहां यह विशेष रूप से उपयोगी साबित हुआ है, कार्रवाई की तैयारी के अध्ययन में है, अक्सर एकल-संयुक्तआंदोलनों के अध्ययन के माध्यम से। हालांकि, पहुंच जैसे प्राकृतिक बहु-संयुक्त आंदोलनों के तुलनात्मक रूप से कम टीएमएस अध्ययन हैं।
वर्तमान लक्ष्य एक विलंबित-प्रतिक्रिया पहुंच कार्य को डिजाइन करना था जिसमें व्यवहार किनेमेटिक्स, ऑनलाइन सिंगल-पल्स टीएमएस प्रशासन और कई मांसपेशियों से एक साथ ईएमजी रिकॉर्डिंग शामिल है। कार्य में क्षैतिज रूप से उन्मुख मॉनिटर का उपयोग करके ऑनलाइन दृश्य प्रतिक्रिया के साथ एक द्वि-आयामी बिंदु-से-बिंदु पहुंच प्रतिमान शामिल है जैसे कि दृश्य प्रतिक्रिया पहुंच प्रक्षेपपथ से मेल खाती है (यानी, वेरिडिकल फीडबैक के दौरान 1: 1 संबंध और दृश्य प्रतिक्रिया और गति के बीच कोई परिवर्तन नहीं)। वर्तमान डिजाइन में विसुओमोटर गड़बड़ी के साथ परीक्षणों का एक सेट भी शामिल है। प्रदान किए गए उदाहरण में, यह कर्सर फीडबैक में 20 ° घूर्णी बदलाव है। पिछले अध्ययनों ने सेंसरिमोटर अनुकूलन 19,20,21,22,23,24,25 से जुड़े तंत्र और गणनाओं के बारे में सवालों को संबोधित करने के लिए एक समान पहुंच प्रतिमान का उपयोग किया है। इसके अलावा, यह दृष्टिकोण ऑनलाइन मोटर सीखने के दौरान सटीक समय बिंदुओं पर मोटर सिस्टम उत्तेजना गतिशीलता का आकलन करना संभव बनाता है।
क्योंकि पहुंचने सीखने / अनुकूलन की जांच के लिए एक उपयोगी व्यवहार साबित हुआ है, इस व्यवहार के संदर्भ में सीएस उत्तेजना का आकलन करने से इन व्यवहारों में शामिल तंत्रिका सब्सट्रेट्स पर प्रकाश डालने की भारी क्षमता है। इनमें स्थानीय निरोधात्मक प्रभाव, ट्यूनिंग गुणों में परिवर्तन, तंत्रिका घटनाओं का समय आदि शामिल हो सकते हैं, जैसा कि गैर-मानव प्राइमेट अनुसंधान में स्थापित किया गया है। हालांकि, इन विशेषताओं को मनुष्यों और नैदानिक आबादी में मापना अधिक कठिन रहा है। संयुक्त टीएमएस और ईएमजी दृष्टिकोण (यानी, आंदोलन की तैयारी के दौरान या आराम से) का उपयोग करके मनुष्यों में ओवरट आंदोलन की अनुपस्थिति में तंत्रिका गतिशीलता की भी जांच की जा सकती है।
प्रस्तुत उपकरण ओपन-सोर्स हैं, और कोड आसानी से अनुकूलनीय है। यह उपन्यास प्रतिमान पहुंच आंदोलनों की तैयारी, निष्पादन, समाप्ति और अनुकूलन में शामिल तंत्र में महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि उत्पन्न करेगा। इसके अलावा, विधियों के इस संयोजन में इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी और मनुष्यों में पहुंचने वाले व्यवहार के बीच संबंधों को उजागर करने की क्षमता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
ऊपर उल्लिखित विधियां व्यवहार तक पहुंचने के संदर्भ में मोटर तैयारी का अध्ययन करने के लिए एक नया दृष्टिकोण प्रदान करती हैं। यद्यपि पहुंचना मोटर नियंत्रण और सीखने के अध्ययन में एक लोकप्रिय मॉडल क?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह शोध नाइट कैंपस अंडरग्रेजुएट स्कॉलर्स प्रोग्राम और फिल एंड पेनी नाइट फाउंडेशन के उदार वित्त पोषण से संभव हुआ था
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
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